En introduktion til additiv fremstilling

Nessan Cleary tilbyder en kort introduktion til 3D-print samt detaljering af de mange forskellige typer 3D-printere, der er tilgængelige i øjeblikket.

Udtrykket '3D-print' er lidt misvisende, da der ikke er meget i vejen for udskrivning, i hvert fald ikke på den måde, som nogen fra den grafiske printverden ville forstå. Når det er sagt, er mange professionelle i bredformater vant til at arbejde med CAD-filer for at producere emballage, visningsstandere og andre tredimensionelle objekter, så 3D-print burde ikke være en alt for stor udfordring.

Det grundlæggende koncept er at tage designet til et objekt og skære det i lag ved hjælp af udskæringssoftware. 3D-printeren opretter derefter objektet, lægger et lag ned ad gangen, og tilføjer hvert lag oven på det forrige, indtil objektet er færdigt. Det kan være en ret langsom proces, afhængigt af hvor stort hvert objekt er, selvom mange 3D-printere kan indstilles til at udskrive flere objekter side om side i printerens byggekammer.

I dag er 3D-print i vid udstrækning brugt til at producere prototyper, jigs, forme og endelige dele, og bliver i stigende grad en acceptabel fremstillingsproces. Af denne grund er 3D-print også kendt som additiv fremstilling. Der er en masse forskellige 3D-printteknologier - for mange til at nævne dem alle her - så til denne historie vil vi gennemgå nogle af hovedtyperne og de materialer, de kan arbejde med. Vær advaret, der er ret mange TLA'er - tre bogstaver akronymer - at komme igennem!

Billedtekst: MakerBot har introduceret flere specialmaterialer til sin Method FFF 3D-printer.

Den måske mest almindelige metode er Fused Filament Fabrication, eller FFF, også kendt som Fused Deposition Modelling eller FDM. Dette bruger en spole af termoplastisk filament som råmateriale. Filamentet føres gennem en opvarmet ekstruder, som smelter det for at lægge det ned til et lag. Lagene binder sammen, når materialet afkøles for at danne objektet. Der er mange FFF/FDM-printere i stationær størrelse, de fleste ganske dygtige på trods af deres relativt billige priser. Opløsningen afhænger af, hvor fin dysen på ekstruderen er, med en afvejning mellem høj opløsning og hurtigere udskrivningshastigheder.

Der er et godt udvalg af materialer, fra hård plast som ABS til fleksible muligheder som TPU, såvel som mere eksotiske materialer snøret med nylon eller kulfiber for forbedret styrke.

Billedtekst: Formlab har udviklet disse desktop Form 3 og Form 3L stereolitografi 3D printere.

Det næste trin op er stereolitografi, eller SLA, som bruger fotopolymerharpiksbaserede materialer. Processen starter med at fylde et kar med fotopolymervæsken. En stråle af ultraviolet lys sporer derefter mønsteret af det første lag på overfladen af denne væske, hvilket forårsager en kemisk reaktion, der størkner væsken, hvor lyset har rørt den. Byggeplatformen sænkes, mere harpiks tilføjes, og et andet lag spores oven på det første, og så videre. I nogle tilfælde bruges et kar med gennemsigtig bund, og lyset skinner igennem fra undersiden, hvilket skaber objektet fra bunden af tanken og opefter.

Disse printere er også for det meste stationære maskiner og normalt dyrere end FFF/FDM-printere, men der er et mere specialiseret udvalg af materialer til anvendelser såsom prototyping eller fremstilling af støbte støbninger til støbning, såvel som biokompatible harpikser til dental og medicinsk brug. De giver generelt en glat finish med fine detaljer, men mangler høj styrke.

Digital Light Processing eller DLP er en variation af SLA-udskrivning, men i stedet for en laser bruger den en digital lysprojektor til at lyse et billede af et komplet lag, hvilket er meget hurtigere end at spore det lag med en laser.

En af de ældste former for 3D-print er Selective Laser Sintering, eller SLS. Den er velegnet til alle slags materialer, fra plastik til metal samt keramik og glas, som starter i pulverform. Pulveret spredes ud i et byggekammer, og laseren skriver et mønster i pulveret, hvor laseren kun smelter sammen de partikler, som den opvarmer for at danne det første lag. Kammerets leje sænkes derefter, og mere pulver spredes ud, og processen gentages med hvert lag smeltet til det sidste, indtil objektet er færdigt.

Denne proces giver mulighed for utroligt indviklede genstande, såsom turbine radiatorer, der kræver mange interne finner. SLS-maskiner har dog en tendens til at være dyre, fordi de kræver god temperaturkontrol og selvfølgelig en kraftig laser, så de er hovedsageligt begrænset til kommerciel brug.

Svarende til SLS er Selective Laser Melting eller SLM, som også er kendt som Direct Metal Laser Melting. Der er et godt udvalg af metallegeringer, herunder forskellige kvaliteter af aluminium og stållegeringer. Denne metode bruger også en kraftig laser til at producere metalgenstande, men den smelter metalpulveret fuldstændigt i stedet for blot at sintre pulverpartiklerne sammen, hvilket betyder, at delene er tættere. Byggekammeret er normalt fyldt med en inert gas såsom argon for at begrænse risikoen for brand eller eksplosion, men som også kræver omhyggelig håndtering og kun er egnet til kommerciel brug.

Electron Beam Melting eller EBM fungerer på lignende måde. I dette tilfælde producerer laseren elektronstråler og smelter metalpulveret sammen, og det kræver et vakuum i stedet for en inert gas. Det involverer høje temperaturer, op til 1000ºC, men kan producere meget stærke, tætte genstande og er særligt velegnet til titanlegeringer.

Billedtekst: HP Jet Fusion 5200 3D-printeren, som bruger binder jetting, ses her med en separat behandlingsstation.

Binder Jetting bruger et inkjet-printhoved til at sprøjte et klæbemiddel til bogstaveligt talt at lime pulverne sammen. Det pulveriserede materiale spredes ud på sengen, og mønsteret af det første lag skrives i pulveret ved at sprøjte klæbemidlet for at binde pulverne sammen. Sengen falder ned, og mere pulver spredes ud over, og processen gentages lag for lag, indtil objektet er færdigt. Der er normalt et separat efterbehandlingstrin, hvor objektet brændes for at smelte det resterende bindemiddel væk og sikre, at alle lagene er fuldt sammensmeltet til en enkelt genstand.

Processen kan tilpasses til brug med plast, metaller og keramiske materialer. Den store fordel ved at bruge inkjet-printhoveder er, at det er relativt billigt at skalere processen op, for eksempel ved at tilføje flere hoveder for større produktivitet.

Inkjet-printhoveder kan også bruges til en anden metode, Material Jetting, som kan afsætte selve materialet på det helt rigtige sted for at danne hvert lag. Dette er også godt for plast, metaller og keramik. Materialeudsprøjtning har dog nogle af de samme problemer som med grafiske printere, nemlig risikoen for, at den større partikel tilstopper printhovederne og behovet for at slippe af med den væskeformige bærer, der bruges til at sprøjte materialet, når først udskrivningen er færdig.

Afslutningsvis kommer valget af, hvilken type 3D-printer, der skal investeres i, i høj grad ned på at finde en balance mellem prisen på printeren, i forhold til de materialer, du ønsker at bruge, og den kvalitet og styrke, som du har brug for til de færdige genstande.

Følg med, da vi vender tilbage til dette emne om et par måneder og ser på nogle af de applikationer, som 3D-printere kan bruges til.

Oplev det seneste inden for 3D-print på Global Print Expo 2021 , Europas førende udstilling for skærm- og digitalt bredformatprint, tekstilprint og skiltning. Oplev de nyeste produkter, netværk med ligesindede personer og udforsk nye forretningsmuligheder. Meld din interesse her .