En introduktion till additiv tillverkning

Nessan Cleary erbjuder en kort introduktion till 3D-utskrift samt beskriver de många olika typer av 3D-skrivare som finns tillgängliga för närvarande.

Termen "3D-utskrift" är lite missvisande eftersom det inte är mycket i vägen för utskrift, åtminstone inte på det sätt som någon från grafikutskriftsvärlden skulle förstå. Som sagt, många proffs i bredformat är vana vid att arbeta med CAD-filer för att producera förpackningar, visningsställ och andra tredimensionella objekt, så 3D-utskrift borde inte vara en alltför stor utmaning.

Grundkonceptet är att ta designen för ett objekt och dela upp det i lager med hjälp av skivningsprogramvara. 3D-skrivaren skapar sedan objektet, lägger ner ett lager i taget, lägger till varje lager ovanpå det föregående tills objektet är färdigt. Det kan vara en ganska långsam process, beroende på hur stort varje objekt är, även om många 3D-skrivare kan ställas in för att skriva ut flera objekt sida vid sida i byggkammaren i skrivaren.

Nuförtiden används 3D-utskrift i stor utsträckning för att producera prototyper, jiggar, formar och slutliga delar, och blir alltmer en acceptabel tillverkningsprocess. Av denna anledning är 3D-utskrift även känd som additiv tillverkning. Det finns många olika 3D-utskriftstekniker - för många för att lista dem alla här - så för den här historien går vi igenom några av de viktigaste typerna och materialen de kan arbeta med. Varning, det finns en hel del TLA - tre bokstäversakronymer - att ta sig igenom!

Bildtext: MakerBot har introducerat flera specialmaterial för sin Method FFF 3D-skrivare.

Den kanske vanligaste metoden är Fused Filament Fabrication, eller FFF, även känd som Fused Deposition Modelling, eller FDM. Detta använder en spole av termoplastisk filament som sitt råmaterial. Filamentet matas genom en uppvärmd extruder, som smälter den för att lägga ner den till ett lager. Skikten binder samman när materialet svalnar för att bilda föremålet. Det finns många FFF/FDM-skrivare i stationär storlek, de flesta ganska kapabla trots deras relativt billiga prissättning. Upplösningen beror på hur fint munstycket på extrudern är, med en avvägning mellan hög upplösning och snabbare utskriftshastigheter.

Det finns ett bra materialval, från hårdplast som ABS till flexibla alternativ som TPU, såväl som mer exotiska material spetsade med nylon eller kolfiber för förbättrad styrka.

Bildtext: Formlab har utvecklat dessa stationära Form 3 och Form 3L stereolitografi 3D-skrivare.

Nästa steg upp är stereolitografi, eller SLA, som använder fotopolymerhartsbaserade material. Processen börjar med att fylla ett kar med fotopolymervätskan. En stråle av ultraviolett ljus spårar sedan mönstret av det första lagret på ytan av denna vätska, vilket orsakar en kemisk reaktion som stelnar vätskan där ljuset har vidrört den. Byggplattformen sänks, mer harts tillsätts och ett andra lager spåras ovanpå det första, och så vidare. I vissa fall används ett kar med genomskinlig botten och ljuset lyser igenom från undersidan, vilket skapar föremålet från tankens botten och uppåt.

Dessa skrivare är också mestadels stationära maskiner och vanligtvis dyrare än FFF/FDM-skrivare, men det finns ett mer specialiserat utbud av material, för användningsområden som prototyper eller tillverkning av gjutgods för gjutning, såväl som biokompatibla hartser för dental och medicinsk användning. De ger generellt en slät finish med fina detaljer men saknar hög styrka.

Digital Light Processing eller DLP är en variant av SLA-utskrift men istället för en laser använder den en digital ljusprojektor för att lysa en bild av ett helt lager, vilket är mycket snabbare än att spåra det lagret med en laser.

En av de äldsta formerna av 3D-utskrift är Selective Laser Sintering, eller SLS. Den är lämplig för alla möjliga material, från plast till metall samt keramik och glas, som börjar i pulverform. Pulvret sprids ut i en byggkammare och lasern skriver ett mönster i pulvret, där lasern bara smälter samman de partiklar som den värmer för att bilda det första lagret. Bädden av kammaren sänks sedan och mer pulver sprids ut, och processen upprepas med varje lager smält till det sista tills föremålet är färdigt.

Denna process möjliggör otroligt invecklade föremål, såsom turbinradiatorer som kräver många inre fenor. SLS-maskiner tenderar dock att vara dyra eftersom de kräver bra temperaturkontroll och, naturligtvis, en kraftfull laser, så de är huvudsakligen begränsade till kommersiell användning.

Liknande SLS är selektiv lasersmältning eller SLM, som också är känt som Direct Metal Laser Melting. Det finns ett bra urval av metallegeringar, inklusive olika kvaliteter av aluminium och stållegeringar. Denna metod använder också en kraftfull laser för att producera metallföremål, men den smälter metallpulvret helt, snarare än att bara sintra ihop pulverpartiklarna, vilket innebär att delarna är tätare. Byggkammaren är vanligtvis fylld med en inert gas såsom argon för att begränsa risken för brand eller explosion men som också kräver noggrann hantering och endast är lämplig för kommersiellt bruk.

Electron Beam Melting eller EBM fungerar på liknande sätt. I det här fallet producerar lasern elektronstrålar och smälter samman metallpulvret, och det kräver ett vakuum snarare än en inert gas. Det involverar höga temperaturer, upp till 1000ºC, men kan producera mycket starka, täta föremål och är särskilt lämpat för titanlegeringar.

Bildtext: HP Jet Fusion 5200 3D-skrivaren, som använder binder jetting, ses här med en separat bearbetningsstation.

Binder Jetting använder ett bläckstråleskrivhuvud för att spruta ut ett lim för att bokstavligen limma ihop pulvren. Det pulveriserade materialet sprids ut på bädden och mönstret för det första lagret skrivs i pulvret genom att spruta limmet för att binda ihop pulvren. Bädden faller ner och mer pulver sprids över, och processen upprepas lager för lager tills objektet är färdigt. Det finns vanligtvis ett separat efterbehandlingssteg där föremålet avfyras för att smälta bort det återstående bindemedlet och säkerställa att alla lager är helt sammansmälta till ett enda föremål.

Processen kan anpassas för användning med plaster, metaller och keramiska material. Den stora fördelen med att använda bläckstråleskrivhuvuden är att det är relativt billigt att skala upp processen, till exempel lägga till fler huvuden för högre produktivitet.

Inkjet-skrivhuvuden kan också användas för en annan metod, Material Jetting, som kan deponera själva materialet på exakt rätt plats för att bilda varje lager. Detta är också bra för plast, metall och keramik. Emellertid möter materialsprutning en del av samma problem som med grafiska skrivare, nämligen risken för att den större partikeln täpper till skrivhuvudena och behovet av att bli av med den vätskebärare som används för att spruta materialet när utskriften är klar.

Sammanfattningsvis handlar valet om vilken typ av 3D-skrivare man ska investera i till stor del om att hitta en balans mellan kostnaden för skrivaren, mot de material man vill använda, och den kvalitet och styrka som man kräver för de färdiga föremålen.

Håll utkik då vi kommer tillbaka till detta ämne om ett par månader och tittar på några av de applikationer som 3D-skrivare kan användas för.

Upptäck det senaste inom 3D-utskrift på Global Print Expo 2021, Europas ledande utställning för skärm och digitalt bredformatstryck, textiltryck och skyltning. Upptäck de senaste produkterna, nätverk med likasinnade individer och utforska nya affärsmöjligheter. Anmäl ditt intresse här .