Tamás Ferenc: 3D nyomtatás elmélete és gyakorlata

 Külön köszönetet szeretnék mondani a Metris3D Kft-nek az igen tartalmas honlapjuk kiváló cikkeiért! (http://www.metris3d.hu/)

3D nyomtatás - emberi arc

Emberi arc és mása
Kép eredetije: ttp://mytechnologyworld9.blogspot.hu/2014/11/awesome-examples-of-3d-printing-in.html

3D nyomtatás - emberi fül

Mesterséges fül

Kép eredetije: http://www.metris3d.hu/3d_nyomtatas/3d_nyomtatok_a_gyakorlatban.html

A 3D nyomtató egy olyan eszköz, ami képes térbeli modelleket, testeket megalkotni a bevitt anyagok segítségével a számítógépben eltárolt modell alapján. Gyakorlatilag a nyomtatás következő generációja! Legfőbb felhasználási területe a teljesen egyedi alkatrészek vagy termékek gyártása, illetve a személyre szabott tervek megvalósítása. A technológia fejlődésével és az árak letörésével lehetőség nyílik az egyszerű ipari és az orvosi célú megvalósításokra is (pl.: mesterséges fül vagy szívbillentyű).

3D nyomtatás - emberi fej

(Kép eredetije: http://www.rferl.org/content/printing-3d-new-industrial-revolution/24949765.html)

 

A 3D nyomtatás története

A korai 3D-s nyomtatási technológiák az 1980-as évek elején bukkantak fel. 1984-ben a 3D System Corporation-nek dolgozó Chuck W. Hull talált fel egy sztereolithográfiai eljárást, amely rétegenként vitte fel az anyagot egy UV-lézerrel formált fotópolimerre.

3D nyomtató

(Képen: Chuck W. Hull gépe; kép forrása: http://www.pcmag.com/slideshow_viewer/0,3253,l=293816&a=289174&po=1,00.asp )

Hull dolgozta ki a sztereolithográfiai (STL) fájl formátumot, amely a 3D-nyomtatók széles körben elfogadott szabványa lett, valamint a digitális szeletelés és a kitöltő folyamatok többségét is. A 3D-nyomtatás kifejezés maga egy tintasugaras nyomtatóból ered, amit úgy alakítottak át, hogy a tintát ne a papírra fecskendezze, hanem egymásra olvassza a rétegeket. Ezt a réteg-összeolvasztásos technológiát használják a legtöbb mai otthoni, illetve hobbi-célú 3D-nyomtatóban. Ezt a technológiát később szabadalmaztatták és az 1980-as évek végén kezdték méregdrágán a legelső 3D-nyomtatók eladását. A 2010-es évek elejétől kezdett a 3D-nyomtatók ára esni, valamint ekkorra forrtak ki az egyéb 3D-s nyomtatási technológiák.


Additív gyártás

A 3D-nyomtatás fentebb ismertetett, legegyszerűbb módja. Angol eredetiben: Additive Manufactoring = AM. Itt térbeli tárgyakat készítenek a már meglévő alapra újabb és újabb rétegek hozzáadásával – legyen szó akár műanyagról, akár fémalkatrészről, akár emberi szövetről. A legelterjedtebb AM-technológia alapja egy megfelelő 3D-s tervezőszoftver, amelynek segítségével elkészíthető a megtervezett 3D mesterdarab. A 3D-s tervrajz elkészülte után az AM-nyomtató beolvassa a tervet, majd lefekteti a tárgy por, műanyag vagy fém megolvasztásával lágyított nyomtatott rétegeit, így felépítve a teljes terméket.

Az AM megnevezés sokféle technológiát ötvöz: 3D-nyomtatás, Gyors Prototípusgyártás (Rapid Prototyping - RP), Direkt Digitális Gyártás (Direct Digital Manufacturing – DDM), rétegelt gyártás és additív megmunkálás. Az AM alkalmazhatósága ténylegesen határok nélküli. Az AM korábban a prototípusgyártás, avagy gyártás előkészítés folyamatában jelent meg, a kész mester-rajzok vizualizációjával, majd kézzelfogható nyomatokkal így megvalósítva a tervezőmérnök számára, hogy a készterméket a gyártásba kerülés előtt kézzel fogható formában teszteljék, beillesszék más folyamatokba és fizikai geometriai teszteket végezhessenek rajta. Ez a terület korábban teljesen elméleti volt a repülőgép gyártásban, a fogászati beavatkozásoknál, a divattervezők ruhakészítőinél vagy az építészeti tervezésben.

Az egész folyamatot egy kiváló időcsúsztatásos (timelapse) videó mutatja be igazán:

Maga a folyamat legelső lépése ugye a modellezés. Ez legtöbbször valamilyen CAD-szoftverrel történik, de egyre gyakoribb valamilyen 3D-szkenner felhasználása is. A különböző formátumú modelleket a szoftver igen sok vékony, egyforma vastagságú szeletre bontja fel. Magának a testnek a felületét pedig egy STL (Standard Template Library) fájl segítségével apró háromszögekre bontja fel. Minél kisebbek a háromszögek, annál pontosabb a 3D-nyomtatás. Mint a fenti videóban is látható, a test belsejébe is lehet erősítésként szálakat tenni, mivel így a kész termék sokkal masszívabb lesz. Gyakori megoldás, hogy a színes 3D-nyomtatók VRML-fájlokat használnak, ugyanis az a formátum a konkrét geometriai alakzatokon túl a színeket is jól tárolja el.

Konkrét nyomtatáskor a gép beolvassa az egyes rétegek adatait és sorban, egymásra illeszkedő rétegeket képez folyadékból, porból vagy sík lemezekből. Így szépen, szeletenként építi fel a teljes testet. A rétegek szokásos vastagsága általában 1-2 tized milliméter, de vannak ettől eltérő nyomtatók is. A módszer egyik előnye, hogy a rétegek tökéletesen illeszkednek egymáshoz. Hátránya viszont, hogy a technológia sok hőt ad le, így hideg tárgyakat nem (igazán) lehet vele megvalósítani.

A rendelkezésre álló technológiákkal egy modell 3D-s kinyomtatása pár perctől pár óráig tarthat, de ez persze erősen függ a test bonyolultságától és méretétől is. A 3D-s nyomtatás óriási előnye, hogy tényleg egyedi darabokat hozhat létre; bár tömeggyártás esetén a 3D-s nyomtatás még jóval drágább a hagyományos módszereknél.


Példák additív 3D-s nyomtatásra

SLA:

(Stereolithography) Igen fejlett 3D-s nyomtatási módszer. Lényege: lézeres fotópolimer gyanta rétegeket olvaszt össze. A fotópolimer gyanta olyan anyag, amely fényre megváltoztatja anyagszerkezetét és megszilárdul. A rétegfelépítés általában egy zárt kamrában jön létre, ahol a lézersugár a 3D-s modell kontúrját követve megszilárdítja a test szélein lévő molekulákat, így felépítve a megfelelő 3D-s nyomtatót egészen a végső forma eléréséig. Ez később akár megmunkálható, vagy pl. fröccsöntő formaként is használható.

3D nyomtatás - SLA

(Kép eredetije: http://www.metris3d.hu/3d_nyomtatas/3d_nyomtatok_a_gyakorlatban.html)

Egy gyakorlati nyomtatás látható itt:

FDM:

(Fused Deposition Modeling) Folyamat-orientált thermo-műanyag felhasználásával. Ez egy olyan speciális műanyag, amely bizonyos forró adalék hozzáadásával megváltoztatja formáját, majd hűtéskor hirtelen megszilárdul. Fúvókákon keresztül kerül az öntési térbe az fröccsöntészeti anyag. Ebben a technológiában az öntészeti fúvókák precíz helyzete követi le a 3D modell kontúrját a thermo-keményítő műanyag felhordásával a következő réteg előtt. Ez a technika hasonló a fenti SLA-hoz, azaz később megmunkálható vagy öntőformaként felhasználható. Használata aránylag könnyű és az anyagszilárdulás majdnem hőfüggetlen folyamat. Felhasználása igen széles körű. A lenti képen például FDM-eljárással készült cipők láthatók, amelyek a viselőjük lábához vannak tervezve!

 

3D print - cipők

(Kép eredetije: http://www.inside3dp.com/fdm-understanding-commonly-used-3dp-technology/)

MJM:

(Multi Jet Modeling) Multijet modellezés ami hasonló a tintasugaras nyomtatási eljáráshoz. Olyan nyomtató fejet használ, amely képes a háromtengelyes oda-vissza pozicionálásra. Gyakorlatban több száz tintasugarashoz hasonló fejet foglal magába a hőérzékeny polimer réteg összeolvasztására rétegenként.

 

3D print - bögre

(Kép eredetije: http://www.metris3d.hu/3d_nyomtatas/3d_nyomtatok_a_gyakorlatban.html)

Érdemes megnézni a következő (reklám)videót:

3DP:

(3D-Printing) Ez az eljárás a kész terméket egy olyan tartályban gyártja le, ami egyszerre tartalmazza a keményítőt és a kötőanyagot is. A tintasugaras nyomtató fejrészei csupán igen kis mennyiségű kötőanyagot spriccelnek rétegenként. A kötőanyag felhordásával párhuzamosan az új réteget ráhúzzák az előző rétegre, amelyet a kötőanyag szilárdít meg. Ez mindaddig folytatódik, amíg a teljes 3D-nyomtatás tart. A lenti (reklám) videón is látható, hogy a kész modell környezetét könnyen eltávolítható porszerű anyag tölti ki, így gyakorlatban nincsen vivőanyag. A felhasznált technológia lehetővé teszi a teljesen színes nyomatokat is!

 

SLS:

(Selective Laser Sincering) Az SLA-hoz hasonlóan ez is nagy erejű lézert használ kis méretű fém, műanyag, kerámia vagy üvegrészecskék összeolvasztásához. A gyártási ciklus alatt a munkaasztalt lesüllyesztik az új réteg felhordása előtt. Az asztal csak síkirányú elmozdulásra képes. A rétegvastagság általában 0,01 milliméter, de ettől eltérő is lehet más nyomtatónál. A tárgyasztalt addig süllyesztik, amíg az összes réteg egymásra nem tapad és a 3D-s nyomat el nem készül. A folyamat végén a tárgyról simán leszedhető a felesleges por és egyéb anyag. Íme egy bemutató videó erről is:

 
 


3D-toll:

2016-ban tört be a piacra egy eredetileg gyerekjátéknak szánt technológia, a 3D-s rajzoló toll. Ennek egyik megvalósítása az Atmosflare 3D toll szett, most megeleveníti a rajzaidat. Kétféle színt tartalmaz, a pirosat és a kéket. Elemmel működő toll, amivel bármilyen kreatív ötletet megvalósítható. Ha szeretne úgy dizájnolni, mint egy profi tervező, akkor mindenképp használja ezt a tollat. Szinte bármit megtudsz vele rajzolni 3 dimenzióban, minden segédeszköz nélkül - gyorsan száradó speciális tinta segítségével. A dolog hátulütője, hogy bár ez egy gyerekjáték, de a nagy hővel száradó anyag miatt használata csak 14 éves kortól ajánlott. 2017 elején a teljes szett ára kb. 12 ezer Ft volt.

 

Az Atmosflare 3D-s tolla mellett is persze megjelent már a konkurencia számos terméke. Íme egy rövid összehasonlítás ezekről:
 

Leendő technikák:

A 3D-s nyomtatás lehetséges felhasználási területei szinte végtelenek.

- Például az űrhajók fedélzetén azonnal előállíthatnak olyan alkatrészeket, amelyek éppen szükségesek, így nem kell megvárni az esetenként sokat késő utánpótlást.

- Másik lehetséges, már most is használt terület az öntőformák elkészítése. Egy-egy helyes öntőforma megtervezése és precíz kivitelezése igen sokba kerülhet. A 3D-s nyomtatással ez egyelőre igen sokba kerül, de a technológia elterjedésével az árak rohamos esése várható.

- Már most is használják a 3D-s nyomtatást az autómodellezésben, mivel egy-egy kísérleti modell áramlástani vizsgálata ezzel egyszerűbb, mint egy méretarányos fém modell megépítése.

- Újabb üzleti ötlet a modellek testére szabott méregdrága ruhák nyomtatása. Ezek így tényleg egyedileg gyártott, máshol nem fellelhető, valóban testre szabott darabok. Bár a jelenlegi anyagokkal az elkészített ruhák nem rugalmasak!

- Szintén jó ötlet az építészek által megálmodott épületek vagy városrészek 3D-s kinyomtatása. Az AutoCAD-es tervezés után a fizikai modell valódi 3D-s kézbevétele feltárhatja az épületek esetleges hibáit, így még időben lehet javítani!

3D print - városmakett

(Kép eredetije: http://www.metris3d.hu/3d_nyomtatas/3d_nyomtatok_a_gyakorlatban.html)

- Ha már nem függ a 3D-s nyomtatás a hőtől, akkor emberi szövetek is nyomtathatóvá válnak. Ehhez persze szükség van a betegtől levett sejtekre, amiből ki lehet tenyészteni a kész szerveket. A technológia óriási előnye, hogy a saját szövetből nyomtatott szervet a test immunrendszere nem löki ki!

- A nem túl távoli jövőben, amikor már rengeteg anyag kerülhet be a 3D-s nyomtatókba, szóba kerülhet az ételek nyomtatása is – így megvalósítva a Star Trek sorozatokban megismert ételrepikátort:

Lásd itt:

 

Felhasznált irodalom:

- http://mytechnologyworld9.blogspot.hu/2014/11/awesome-examples-of-3d-printing-in.html

- http://www.rferl.org/content/printing-3d-new-industrial-revolution/24949765.html

- http://www.metris3d.hu/3d_nyomtatas/3d_nyomtatok_a_gyakorlatban.html

- http://www.pcmag.com/slideshow_viewer/0,3253,l=293816&a=289174&po=1,00.asp

- http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing

- http://www.hirado.hu/2014/11/26/elkeszult-az-elso-foldon-kivul-gyartott-targy/

- http://www.inside3dp.com/fdm-understanding-commonly-used-3dp-technology/

- https://jateksziget.hu/atmosflare-3d-toll-szett

 

© TFeri.hu, 2014.

Felújítva: 2017.