A manapság már a köztudatban is jelen lévő 3D nyomtatás az elmúlt 30 évben rohamos fejlődésen ment keresztül. Honnan indult, és hová tart jelenleg ez a diverz technológia, és milyen szerepet tölt be az additív gyártás az iparban, valamit a magánfelhasználók körében?
A cikkben megemlített technológiák működési elvét csak felületesen érintjük, korábbi cikkünkben részletesen bemutattuk a különböző eljárások mikéntjét.
https://www.cnc.hu/2020/05/minden-amit-a-3d-nyomtatasrol-tudni-kell/
A Rapid Prototyping legelső gyökerei még a 19. század végére nyúlnak vissza. Ekkoriban a topográfia területén merült fel először, hogy egymásra épülő rétegekkel reprezentáljanak térbeli testeket. Ennek első sorban az öntőminta készítésben volt szerepe. A papírból kivágott körvonalak egymásra helyezésével egy öntendő tárgy negatívját lehetett létrehozni. Ide sorolható még a fotoszkulptúra is, mely a francia, François Willème találmánya volt. Hasonlóan a mai fotogrammetriához 24, körben elhelyezett kamerával egyszerre készítettek fényképet az alanyról, melyek így 360°-os reprezentációt adtak a térbeli testről. A fényképeken lévő sziluettek alapján később el lehetett készíteni a végső szobrot.
François Willème műterme
Magát az RP kifejezést a CAD-rendszerek térnyerése hívta életre. A drótvázas modellezést felváltó szilárdtest-modellezés alkalmazása számított a legnagyobb lökésnek a 3D nyomtatás elterjedésében. 1986-ban Charles Hull, a 3D Systems egyik alapítója dolgozta ki a sztereolitográfiás technológiát, mely UV fényre keményedő gyantarétegekből építette fel a modellt. Immáron lehetségessé vált, hogy a tárgyak a CAD modellek alapján szülessenek meg.
Az első technológia, mely segítségével hőre lágyuló műanyagok nyomtatása is lehetővé vált, a Fused Deposition Modeling, azaz FDM volt, mely szabadalmát a Stratasys 1992-ben jegyezte be. A legtöbben ma is egyből erre a technológiára asszociálnak, ha a 3D nyomtatás szóba kerül. Az ömledékrétegzéses eljárás másik neve a Fused Filament Fabrication (FFF), melyet a RepRap projekt vezetői találtak ki. Azonban a Stratasys szabadalmak lejárta után leginkább az FDM rövidítés épült be a köztudatba. A RepRap Project 2005-ben a bathi egyetemen indult annak érdekében, hogy olyan 3D nyomtatót hozzanak létre, mely saját alkatrészeit is képes lehet legyártani. Ez a technológia szintén hőre lágyuló műanyag rétegzésén alapult, ezért is volt szükség az eltérő megnevezésre, hiszen ezt már a szabadalmi védelem alatt álló FDM technológiával párhuzamosan fejlesztették.
Stratasys 3D Modeler; az első forgalomba hozott FDM berendezés
A Sanders Prototype Inc. fejlesztésében jelent meg az első tintasugaras 3D nyomtató. Érdekesség, hogy ekkoriban a technológia neve „3D Printing” volt, hiszen a papírnyomtatóhoz hasonlóan készültek a modell rétegei. Később a kifejezés a köznyelvbe bekerülve az additív gyártás (AM) szinonimájává vált. A technológiát elsősorban a héjformázás területén hasznosították, ami nagyban megkönnyítette a DSP öntési eljárást.
LOM – Laminated Object Manufacturing. A modell vékony rétegek egymásra ragasztásával jön létre. Hátránya, hogy egyszerre a teljes nyomtatási térfogatot kitölti az anyag, mely nem túl takarékos megoldás.
Ezekben az időkben az otthoni 3D nyomtatás még szinte elérhetetlen kategória volt. A technológiák, szoftverek és az alapanyagok drágák voltak, a „megfizethető” árú nyomtatók is csak céges, irodai használat esetén volt valamelyest rentábilisak. A múlt évtizedben elindult nagy áttörést a 2009-ben lejárt FDM szabadalom jelentette. Ennek, és a korábban említett RepRap Projectnek köszönhetően, – melyet végig Open Source megfontolással fejlesztettek – gombamód kezdtek létrejönni az immáron otthoni használatra szánt nyomtatókat gyártó cégek.
RepRap Darwin
Európai fronton a cseh, Josef Průša vállalata fejlesztett DIY körökben is felsőkategóriásnak számító nyomtatókat, míg kínában a Creality 3D Technology Co, Ltd nőtte ki magát vezető 3D nyomtató gyártóvá. Ebben az időszakban a köztudatba is hamar berobbant a magánszemélyek számára is elérhető technológia, mely futótűzként terjedt végig az interneten. Emlékezhetünk videókra, cikkekre, melyek azt hirdették, mostantól minden háztartásban lehet majd egy 3D nyomtató, használati tárgyainkat egyszerűen kinyomtathatjuk, esetleg elromlott, vagy törött eszközeinkhez új alkatrészt készíthetünk.
Prusa i3 MK2
Pár év múltán azonban az otthoni 3D nyomtatás népszerűségének bealkonyodott. Hasonlóan egy-egy divathullámhoz, a korábban sokakat felcsigázó technológia feledésbe merült széleskörben, és nagyrészt megmaradt a barkácsolók és otthoni kísérletezők játékszerének. De vajon mi okozta ezt a rövid fellángolást? Mint azt láthattuk, sok tényező együttállása kellett ahhoz, hogy a technológia széleskörben el tudjon terjedni. A médiában azonban valamelyest tévesen reprezentálták, hogy valójában mekkora befektetett idő és tanulás szükséges a gépek használatához. Túlzottan nagy lett körülötte a felhajtás. Sokan a „nyomtatás” szó hallatán a papírra történő nyomtatással azonosították, gondolván, hogy itt is gombnyomásra legyárthatjuk a kívánt alkatrészeinket. Ezzel szemben előbb-utóbb az impulzusvásárlóknak szembesülniük kellett azzal, hogy a 3D nyomtató tulajdonképpen egy NC gép, mely kezeléséhez szoftveres ismeretekre is szükség van, nem is beszélve az egyszerűbb nyomtatók nehézkes beállítási procedúráiról. Az egyedi tárgyak nyomtatása sem túl egyértelmű a nem műszaki érdeklődésű személyeknek, hiszen ehhez már CAD-szoftveres ismeretek sem ártanak. Egyszóval, az otthoni felhasználásra szánt gépek megmaradtak a kísérletező kedvű barkácsolóknak, akik nem sajnálják rászánni az időt gépeik pontos beállítására. Ezek a technikák is képesek azonban kiemelkedő minőségben „gyártani” azonban ebben a szektorban a gépek fejlődése – néhány kivételtől eltekintve – csupán a ma már alapfelszereltségnek mondható fűtött tárgyasztal, automatikus szintezés és filament-szenzor megjelenését jelentette.
Creality CR-30 3DPrintMill – a szalagos ágynak köszönhetően Z-irányban végtelen hosszúságú modell is nyomtatható
Mindeközben az iparban kevésbé volt tetten érhető a 90-es évekhez hasonló kiemelkedő fejlődés. A különböző technológiák ekkorra már körvonalazódtak, és leginkább ezek tökéletesítése zajlott, hiszen egzotikusabbnak számító anyagok nyomtatása is lehetővé vált. Ez nagyban szélesítette az alkalmazási területeket. A magánszektorban történt népszerűség azonban valamelyest negatívan érintette az ipari szférát. Sok ipari szereplő akart nyitni az additív gyártás irányába, azonban fennált az a visszás helyzet, hogy téves információk miatt az otthoni nyomtatók által képviselt minőséggel azonosították az ipari technológiákat is. Emiatt egy-egy rossz tapasztalat okán az ipari technológiákat forgalmazó képviselőkhöz már el sem jutottak ezek az igények, ami tovább hátráltatta a technológia elterjedését.
Már javában zajlanak a 2020-as évek, mely időszak az additív gyártást soha nem látott irányokba terelte. Szerencsére egyre többen ismerik fel az AM iparban betöltött szerepét. A polimerek mellett teljesen általánossá vált a fémek nyomtatása, mely a szerszámkészítés és javítás, valamint az űripar területén is forradalmi változásokat eredményezett. A rengetegféle különböző technológia és alapanyag, már szinte minden területre több megoldást is kínál, immáron nem csak a prototípusgyártásban. Mivel egyre inkább elterjedőben van az egyedi- és a High-Mix Low-Volume gyártás, a 3D nyomtatás rugalmas, és költséghatékony megoldást kínál erre a területre is.
Kép forrása: https://www.additivemanufacturing.media/articles/the-case-for-additive-manufacturing-in-production
Az additív gyártást sokan tekintik a hagyományos forgácsolás, tehát az anyageltávolítás ellenfelének, azonban mindkét technológiának megvannak az előnyei. Évekkel ezelőtt az általános elképzelés az volt, hogy egy napon az additív gyártás minden korábbi megmunkálást képes lesz kiváltani. Ez azonban nincs így. Már ma is elérhetőek, a kevert technológiát alkalmazó megmunkálóközpontok, melyek lézeres felrakóhegesztéssel felépítik a kívánt geometriát. Ezután a forgácsolás adja meg a munkadarab végső felületi minőségét és dimenzióját, mely ideális választás bonyolult geometriák gyártására, vagy egzotikus és költséghatékonyabb anyagok kombinálására egyazon munkadarabban.
Az additív gyártás hosszú utat járt be az elmúlt évek alatt, és annak ellenére, hogy viszonylag fiatal technológiáról van szó, sikeresen megvetette a lábát a mindennapi életben, legyen szó ipari felhasználásról, vagy akár az otthoni barkácsolásról.
Források:
RP
https://en.wikipedia.org/wiki/Rapid_prototyping
3D printing
https://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing
LOM
FDM – Stratasys szabadalom
https://patents.google.com/patent/US5121329A/en?assignee=Stratasys+Inc&sort=old