3D tlač, tiež známa ako aditívna výroba, je možné tlačiť vrstvu po vrstve prostredníctvom vopred nastavených postupov a digitálnych modelov, pomocou práškového nástreku a iných metód, a nakoniec získať vysoko presné trojrozmerné produkty. V porovnaní s konvenčnou plochou tlačou môže 3D tlač poskytnúť trojrozmerné trojrozmerné modely; v porovnaní s bežným spracovaním má 3D tlač vyšší stupeň presnosti a automatizácie. Je založená na vyššie uvedených výhodách, takže technológia 3D tlače v krátkom časovom období podporuje použitie rýchlo. Samozrejme, táto technológia tiež čelí mnohým výzvam, ktoré treba prekonať, ako sú materiál, vybavenie, priemyselné štandardy. Perspektíva trhu 3D tlače je široká, pokiaľ ide o pochopenie a používanie technológie 3D tlače, založenej na technológii 3D tlače, a aktívne skúmať Inovácia a optimalizačná stratégia technológie 3D tlače sa tiež stala populárnou témou výskumu.
Základné princípy a technické charakteristiky 1.3D tlače
3D tlač, ako špičková technológia v oblasti priemyselnej výroby, kombinuje rôzne technológie vrátane vrstvenej výrobnej technológie, strojárstva, CNC technológie, CAD, laserovej technológie, technológie reverzného inžinierstva, materiálovej vedy atď. , rýchlo, automaticky a presne transformovať návrh elektronického modelu na prototyp s pevnou funkciou alebo priamo vyrábať diely, čím poskytuje nízkonákladovú a efektívnu metódu výroby prototypov dielov a overovania nových dizajnérskych nápadov. Základným princípom technológie 3D tlače je inverzný proces tomografie. Tomografia je niečo „rozrezané“ na nespočetné množstvo naskladaných plátkov, 3D tlač prebieha prostredníctvom kontinuálnej superpozície fyzickej vrstvy, vrstva po vrstve, aby sa zväčšil materiál na vytvorenie trojrozmernej technológie pevných látok, takže technológia výroby 3D tlače je známa aj ako „technológia aditívnej výroby.
V porovnaní s tradičnou technológiou tlače a výrobným procesom sa vlastnosti 3D tlače sústreďujú do nasledujúcich aspektov: po prvé, jednorazové dokončenie tlače, bez potreby opakovaného rezania, brúsenia, zjednodušenie procesu výroby produktu, skrátenie výrobného cyklu. Technici musia vopred získať trojrozmerné súradnice a štrukturálne charakteristiky produktu a potom použiť špecifický softvér v počítači na generovanie trojrozmerných modelov a nakoniec pomocou počítačom riadených 3D tlačiarní dokončiť tlač a výrobu produktov. , skutočne si uvedomujúc „čo vidíš, to aj dostaneš“. Po druhé, náklady sú nižšie, najmä pri hromadnej výrobe, v porovnaní s tradičným spracovaním a výroba má výraznejšie nákladové výhody. Z hľadiska výrobného režimu stačí pri technológii 3D tlače získať trojrozmerné súradnice produktu a navrhnúť trojrozmerný model produktu, zvyšok práce vykoná zariadenie automaticky, môže byť dokončená iba jedna osoba, náklady na prácu a čas sú nízke. Napokon, stupeň presnosti produktu je vyšší, najmä pri výrobe presných dielov, presnosť produktov získaných 3D tlačou môže dosiahnuť úroveň 0,01 mm a podpora 32-bitovej farby tlač.
Vybavenie, materiály a technológia sú tri základné prvky 3D tlače. Z hľadiska vybavenia ide najmä o 3D tlačiarne, 3D skenery, 3D laserové gravírky, laserové sledovače a pod.; čo sa týka materiálov, medzi bežne používané materiály patrí fotosenzitívna živica, plastový prášok, kostný prášok, PLA atď.; z hľadiska technológie zahŕňa celý rad kľúčových technológií, ako napríklad technológiu 3DP, technológiu FDM taveného depozície (FDM) a technológiu vytvrdzovania laserovým svetlom SLA. Prevádzkové metódy, základné princípy a aplikačné výhody týchto technológií sú značne odlišné, ako je uvedené ďalej.
2. Technológia tlače 3DP
Technológia trojrozmernej tlače (3DP) je v tejto fáze najčastejšie používanou metódou 3D tlače. Použité zariadenie je štandardná atramentová tlačiareň, ktorú je možné prispôsobiť rôznym práškovým tlačovým materiálom, ako je keramický prášok, plastový prášok a kostný prášok. Po predprogramovaní a modelovaní sa pod riadením príkazov počítača nanesie vrstva prášku a potom sa dýza presunie tak, aby striekala lepidlo cez dýzu na definovanú oblasť, aby sa práškové materiály spojili dohromady. Po dokončení prvej vrstvy tlače môžete získať prototyp produktu a potom pokračovať v opakovaní vyššie uvedených krokov, po mnohých práškoch, striekaní, lepení a nakoniec získať požadovaný produkt. Ak potrebujete tlačiť farebné produkty, môžete si vybrať vhodné farebné spojivo.
SLA je vyrobený z fotocitlivej živice, tekutého materiálu, ktorý pri ožiarení UV svetlom určitej vlnovej dĺžky (x=325nm) a intenzity (w=30mw) môže rýchlo prejsť fotopolymerizačnou reakciou, molekulárnou hmotnosť materiálu sa dramaticky zvyšuje a materiál sa transformuje z kvapalného do tuhého stavu. Nádrž na kvapalinu sa najskôr naplní tekutou fotocitlivou živicou, héliovo-kadmiovým laserom alebo argónovým iónovým laserom emitovaným UV laserovým lúčom v počítači pri manipulácii s obrobkom podľa vrstvenia údajov o priereze pri skenovaní povrchu tekutej fotocitlivej živice riadok po riadku a bod po bode, čo robí skenovaciu oblasť vrstvy živice polymerizáciou a vytvrdzovaním z vytvorenia tenkej vrstvy obrobku. Po vytvrdnutí vrstvy sa stôl posunie o jednu hrúbku nadol a na predtým vytvrdený povrch živice sa nanesie nová vrstva tekutej živice, kým sa nezíska 3D pevný model.
Zariadenie používané v procese SLS zahŕňa lasery, skenovacie zrkadlá a vyrovnávacie valce. Technický postup je nasledovný: najskôr položte na pracovný stôl vrstvu práškového materiálu vhodnej hrúbky, pričom uprednostnite fotocitlivú živicu, parafínový prášok, plastový prášok, spravidla nepoužívajte keramický prášok, kovový prášok. Potom prednastavte program, prečítajte si model, v návode na ovládanie počítača laser vyšle laserový lúč a cez skenovacie zrkadlo ožiari práškový materiál na stole. Pretože laser má veľmi vysokú energiu, bude spekať práškový materiál, najprv vytvorí vonkajší obrys produktu a potom bude pokračovať v ukladaní prášku, spekaní prášku zvonku dovnútra a po mnohých násobkoch kladenia prášku mnohokrát. spekania, konečného vytvorenia požadovaného produktu. V porovnaní s vyššie uvedenými metódami 3D tlače je proces selektívnej technológie laserového spekania na báze SLS relatívne jednoduchý a rýchlosť výroby produktu je rýchlejšia. Táto technológia má však aj nedostatky, ako sú selektívne tlačové materiály, kovový prášok, keramický prášok v procese spekania potrebuje spotrebovať viac energie, čo povedie k zvýšeniu nákladov, takže pre kov, keramiku ako hlavné materiálové produkty to nie je vhodné zvoliť túto technológiu.
Táto technológia má určitú podobnosť s vyššie opísanou technológiou stereo flatbed tlače SLA, pričom hlavným rozdielom je použitie DLP (Digital Light Processor). Po príprave tekutého fotopolyméru sa priamo nad materiálom nastaví vysoko presný digitálny svetelný procesor a technik upraví zariadenie, presunie svetelný lúč na súradnicu (0.0) a dokončí ožarovanie pod kontrolou počítačových inštrukcií, takže tekutý materiál sa postupne vytvrdzuje. Proces vytvrdzovania svetlom je tiež vytvrdzovaný vrstvou po vrstve, ale rýchlosť vytvrdzovania je rýchlejšia a presnosť tvarovania produktu je vyššia. Oproti iným technológiám 3D tlače má navyše výhodu v hladkosti povrchu. Existujú však nedostatky, ako je vysoká čistota kvapalného fotopolyméru, ktorá môže negatívne ovplyvniť výkon konečného produktu, ak je zmiešaný s nečistotami.
Proces LOM využíva tenkú vrstvu materiálu, ako je papier alebo plastová fólia. Povrch listu je vopred potiahnutý tavným lepidlom. Počas spracovania lisovací valec za horúca stlačí plech, aby ho spojil s tvarovaným obrobkom pod ním; CO2 laser sa používa na vyrezanie obrysu prierezu dielca a vonkajšieho rámu obrobku na práve lepenej novej vrstve a na vyrezanie horných a spodných zarovnaných mriežok v nadbytočnej oblasti medzi obrysom prierezu a vonkajší rám; po dokončení rezov laserom sa vytvorený obrobok spustí pracovným stolom, aby sa oddelil od pásovej dosky (pás materiálu); mechanizmus prívodu materiálu otáča osou naberania a osou prívodu materiálu, aby sa pás materiálu pohyboval tak, že konečný produkt nebude mať negatívny výkon. Podávací mechanizmus otáča osou naberania a osou podávania, čím poháňa pás materiálu do pohybu, takže nová vrstva sa pohybuje do oblasti spracovania; pracovný stôl stúpa do roviny spracovania; horúci prítlačný valec horúci tlak, počet vrstiev obrobku sa zvyšuje o jednu vrstvu a výška sa zvyšuje o jednu hrúbku materiálu; a potom vyreže obrys prierezu na novej vrstve. Toto sa opakuje, kým nie sú všetky časti dielu spojené a rezané, výsledkom čoho je pevný diel vyrobený vo vrstvách.
PCM je nová technológia 3D tlače vyvinutá univerzitou Tsinghua v roku 2013. Proces operácie je nasledovný: najprv sa v počítači nakreslí CAD model dielu a potom sa uložia parametre modelu vo forme súborov STL . CAD model sa prevedie na model odliatku podľa modelu dielu. Vrstvy zhora nadol, použitie skenovacieho zariadenia, skenovanie vrstva po vrstve, po dokončení skenovania modelu trojrozmerné súradnice, a potom začať od spodu k hornej časti piesku, lepenie. V procese odlievania boli použité dve dýzy, jedna na vstrekovanie spojiva a druhá na vstrekovanie katalyzátora. Tieto dva materiály sa rozprašujú súčasne a pri kontakte dôjde ku koloidnej reakcii, ktorá vytvorí silnú vrstvu materiálu. Po dokončení prvej vrstvy sa postupne vykonáva druhá a tretia vrstva, kým sa nezíska konečný produkt.
3. Oblasti použitia a obmedzenia technológie 3D tlače
Od objavenia sa prvej komerčnej 3D tlačiarne v roku 1986 sa technológia 3D tlače vyvíjala len viac ako 30 rokov, no široko sa používa v mnohých oblastiach, ako je stavebníctvo, medicína a letectvo. V stavebníctve sa technológia 3D tlače kombinuje s technológiou BIM na zostrojenie 3D modelu budovy v počítači a následné vytlačenie. Prostredníctvom 3D trojrozmerných modelov budov sa poskytuje technická podpora pri zobrazovaní budov, referenčných stavbách atď. V lekárskom priemysle sa technológia 3D tlače používa na výrobu simulovaných umelých kostí s ideálnym klinickým využitím. Okrem toho môžu lekári využívať technológiu 3D tlače na vytváranie patologických modelov, chirurgických náhľadov v simulovaných situáciách, navrhovanie chirurgických programov a zvyšovanie úspešnosti operácie. V oblasti letectva a kozmonautiky je možné pomocou 3D tlače vyrobiť vysoko presné diely, ktoré spĺňajú konštrukčné štandardy a požiadavky na použitie, ako sú lopatky motorovej turbíny, integrované palivové dýzy atď., čo tiež pozitívne prispieva k zlepšeniu celkového výkonu kozmických lodí. Okrem toho, ako je výroba vstrekovacích foriem v priemyselnej výrobe, ako aj výroba personalizovaného spotrebného tovaru atď., S vyspelosťou technológie 3D tlače a znižovaním nákladov na používanie sa tiež postupne presadzovala. .
Technológia 3D tlače pri propagácii a využívaní procesu nielen zdôrazňuje silné výhody aplikácie, ale čelí aj viacerým obmedzeniam. Z pohľadu súčasného štádia technických podmienok medzi faktory, ktoré obmedzujú rozvoj a propagáciu 3D tlače patria najmä: Po prvé materiál. Prostredníctvom vyššie uvedenej analýzy je možné vidieť, že súčasnými materiálmi pre 3D tlač sú najmä fotocitlivá živica, keramika, parafín atď. V kontexte rozširovania aplikačnej oblasti obmedzený počet materiálov zjavne nemôže spĺňať požiadavky v niektorých vznikajúcich oblastiach. Napríklad pre 3D tlač nie je možné použiť kovové a zliatinové materiály, čo obmedzuje jej aplikáciu. Navyše cena materiálu je pomerne drahá, pri dávkovej tlači je limitujúcim faktorom aj vysoká cena. Po druhé, pokiaľ ide o vybavenie, ak má byť technológia 3D tlače plne komercializovaná, cena vybavenia sa musí znížiť. V tejto fáze je cena bežnej 3D tlačiarne približne 5,000 juanov a ak sú vyššie požiadavky na presnosť, cena zariadenia sa pohybuje od 10,000 až po niekoľko desiatok tisíc . To je pre bežných používateľov stále vysoká spotreba, ktorá bráni plnej popularite 3D tlače.
Trend vývoja technológie 4.3D tlače
Technológia 3D tlače má široké vyhliadky na rozvoj, v kontexte rozširujúceho sa trhového rozsahu, aby bolo možné štandardizovať 3D tlač a industrializovať vývoj, je potrebné posilniť špičkový dizajn a zdravé priemyselné štandardy. Príslušnými vládnymi rezortmi, prípadne orgánom priemyslu, čo najskôr pripraviť a zaviesť jednotný systém noriem, vrátane noriem výroby materiálov, noriem výskumu a vývoja zariadení, noriem hodnotenia technológií. S dokonalým štandardným systémom, vývojom technológie 3D tlače poskytuje silnú záruku. Napríklad v posledných rokoch mnohé výskumné jednotky vykonali hĺbkový prieskum v oblasti nanomateriálov, polymérnych kompozitov a funkčných gradientových materiálov. Po zavedení jednotného štandardu sa upravia parametre a štandardy rôznych druhov materiálov a pri nákupe materiálov pre 3D tlač skontrolujeme, či sú v súlade so štandardnými špecifikáciami, aby sme ukončili nízko- kvalitné, „chatové“ materiály a zabezpečiť výkon a kvalitu tlačených produktov.
V súčasnosti si technológia 3D tlače vyžaduje pri aplikácii vysoký stupeň špecializácie na dizajn produktov a spracovanie parametrov. Okrem zvýšenia záťaže pre personál prináša aj problém vysokého prahu vstupu. S rozvojom technológie AI a technológie veľkých dát sa preto budúcnosť technológie 3D tlače bude vyvíjať v smere inteligencie a jednoduchosti, čo používateľom poskytne lepší zážitok. Špecifická cesta vývoja zahŕňa dva aspekty: jedným je hardvér, teda zariadenie na 3D tlač. Okrem ďalšieho znižovania ceny zariadení by malo poskytnúť aj humánnejšie funkcie, ako sú napríklad funkcie vizualizácie, na zobrazenie celého procesu 3D tlače, používatelia môžu kedykoľvek upraviť parametre tlače podľa obrazovky v reálnom čase, čo je prispieva k získaniu požadovaných tlačových produktov; druhým je softvér, ktorý poskytuje dizajnový softvér, softvér na riadenie tlače a ďalší funkčný softvér na podporu viacerých typov tlačových potrieb.
Tlačiarenské zariadenia a tlačové materiály sú kľúčom k aplikácii a vývoju technológie 3D tlače. Výskum a vývoj vhodný pre potreby 3D tlače z viacerých druhov materiálov, no zároveň sa stal ďalším krokom vo vývoji tejto technológie je dôležitá inovácia. Okrem bežne používaných fotosenzitívnych živicových materiálov sa očakáva, že polymérne práškové materiály, ako sú parafínové práškové materiály, práškové povlakové materiály, kovové práškové materiály, ako aj materiály z taveného drôtu, drevoplastové kompozitné materiály atď. propagované v 3D tlači. Okrem poskytovania bohatšej škály podporných materiálov sa výrazne zlepší aj výkon materiálu, pevnosť a špeciálna prispôsobivosť k životnému prostrediu, takže produkty 3D tlače možno použiť v rôznych oblastiach a prostrediach, čo predstavuje zjavnú aplikačnú výhodu.
5. Zhrnutie
Technológia 3D tlače v posledných rokoch preukázala silné aplikačné výhody v mnohých oblastiach a mnohé presné diely a produkty založené na technológii 3D tlače priniesli aj pozitívny vplyv na podporu rozvoja a inovácií v tomto odvetví. Je potrebné poznamenať, že s rozširovaním rozsahu aplikácie technológie 3D tlače naráža aj na niektoré úzke miesta, najmä čo sa týka materiálov a vybavenia. V budúcnosti by sme mali venovať pozornosť výskumu a vývoju podporných technológií, poskytovať viac alternatívnych tlačových materiálov, ako aj znižovať náklady na tlačové zariadenia, zvyšovať humánnu a inteligentnú úroveň tlačových operácií tak, aby sme poskytovali technickú podporu pre sociálny a ekonomický rozvoj.
