Az additív gyártásnak is nevezett 3D nyomtatás technológiája hosszú utat tett meg az 1980-as évekbeli kezdete óta. Bár a 3D nyomtatás eredeti célja a gyors prototípusgyártás volt, a technológia számos más ágazatban is elterjedt. Az autóipar, az építészet, a mérnöki tevékenységek, az építőipar (AEC), az ipari tervezés, az oktatás, a fogászat, a gyógyászat, a katonaság, az űrkutatás, a ruházat, a szemüvegek, a művészet, az ékszerek vagy az élelmiszeripar mellett sok más terület használja az additív gyártástechnológiát prototípusok készítésére és elosztott gyártásra egyaránt.
Ma a 3D nyomtatás néhány alkalmazási lehetőségét ismertetjük, bemutatva a kutatók, oktatók és mérnökhallgatók számára készült megoldásokat, kiemelve a 3D nyomtatás előnyeit és ismertetve a leggyakoribb felhasználási módokat.
Az additív gyártás és a kapcsolódó terminológia
Az „additív gyártás” (AM) kifejezés egy digitális modellből létrehozható, szinte bármilyen alakú háromdimenziós szilárd tárgyra utal. Ez azt jelenti, hogy folyékony, porított műanyagból vagy fémből készült vékony rétegeket viszünk fel, majd ezeket a rétegeket összekötjük, hogy egy tárgyat hozzunk létre.
Az additív gyártáshoz kapcsolódó másik kifejezés a „3D nyomtatással történő prototípusgyártás”. A bevezetőben már említettük: ez a gyors prototípusgyártás, amelynek során több anyagrétegből különböző darabokat hoznak létre. A 3D nyomtatással történő prototípusgyártás egyszerű, gyors és megfizethető módja a termékek létrehozásának.
2015-ben hozták létre az ISO/ASTM 52900 szabványt az additív gyártási (AM) technológia terminológiájának meghatározására, amely az additív alakítás elvét alkalmazza, és lehetővé teszi valós, háromdimenziós (3D) geometriák létrehozását az anyag fokozatos hozzáadásával. Az alapokról és a szakszavakról további információkat itt talál.
A 3D nyomtatási technológia 7 típusa
Ha újonnan ismerkedik a 3D nyomtatási technológia világával, fontos, hogy tájékozódjon a rendelkezésre álló eljárásokról és anyagokról. A 3D-s szerkezetek és tárgyak készítésére különböző 3D-s nyomtatási módszerek léteznek, amelyek közül egyesek népszerűbbek a társaiknál.
- Sztereolitográfia (SLA)
- Fused Deposition Modeling (ráolvasztás)
- Szelektív lézerszinterezés (SLS)
- Digitális fényfeldolgozás (DLP)
- Szelektív lézerolvasztás (SLM)
- Elektronsugaras olvasztás (EBM)
- Lemezelt darabgyártás (LOM)
Sztereolitográfia
Az SLA a 3D nyomtatás egyik legrégebbi eljárása, amelyet Chuck Hull talált fel 1986-ban. Tökéletes módszer a gépészmérnökök számára, akik szeretnék ellenőrizni, hogy egy adott alkatrész illeszkedik-e a tervükhöz. A sztereolitográfia azonban nem csak a mérnökök számára hasznos; ha egy projekt műanyag prototípusát szeretnék kinyomtatni, akkor is nagyszerű megoldás.
Hogyan működik egy SLA nyomtató? Az SLA nyomtatók működése eltér a normál asztali nyomtatókétól. Folyékony műanyag felesleggel dolgoznak, amely a megkeményedés és formázás után szilárd tárggyá alakul. A nyomtató egy szakasza a műanyag megszilárdulásával kis mértékben leereszkedik a tartályba, majd a lézer újabb réteget hoz létre, amíg a nyomtatás be nem fejeződik. Mindegyik réteget a nyomtató egy nagy teljesítményű lézerrel hozza létre, amelyet X és Y szűrő tükrök, más néven galvanométerek vagy galvók irányítanak.
Fused Deposition Modeling (ráolvasztás)
Az FDM (Fused Deposition Modeling) jelenleg a legnépszerűbb 3D nyomtatási technológia. A technológia segítségével nyomtatható működőképes prototípus és fogyasztói termék is, például műanyag fogaskerekek, vadvízi kenuk, legók stb.
Az FDM nyomtató hőre lágyuló műanyag szálakat, például ABS (akrilnitril-butadién-sztirol) vagy PLA (politejsav) szálakat olvaszt fel, majd fűtött fúvókák segítségével rétegről rétegre felviszi őket egy építőplatformra. Amíg az adott adag elkészül, egyszerre csak egy-egy réteget viszünk fel. A hőre lágyuló műanyag mellett támogató anyagok extrudálására is képes. Az eljárás bizonyos szempontból hasonlít a sztereolitográfiához.
Szelektív lézerszinterezés (SLS)
Az SLS egy olyan 3D technológia, amely nagy teljesítményű lézer segítségével polimerpor-részecskéket szinterez egy 3D modellre, hogy szilárd szerkezetet hozzon létre. Mivel alacsony alkatrészenkénti költséget és tervezési szabadságot kínál (az SLS nem igényel tartószerkezeteket, mivel a szinterezetlen por a nyomtatás során körülveszi az alkatrészeket), a gyártók és a mérnökök gyakran alkalmazzák.
Az SLS 3D nyomtatók segítségével olyan összetett geometriák hozhatók létre, amelyek hagyományos eljárásokkal nehezen vagy túl drágán gyárthatók, például mozgó alkatrészek, egymásba illeszkedő alkatrészek, belső csatornás alkatrészek stb. Az SLS különböző alkalmazásokhoz alkalmas, beleértve a testreszabott, áthidaló vagy kisszériás gyártást és az SLS gyors prototípusgyártást.
Digitális fényfeldolgozás (DLP)
A DLP eljárást Larry Hornbeck, a Texas Instruments munkatársa tervezte 1987-ben. Ez egy másik, a sztereolitográfiához hasonló 3D nyomtatási eljárás, de gyorsabb nyomtatási időt biztosít, mint az SLA. Azonban mind a DLP, mind az SLA fotopolimerekkel működik. A digitális fényfeldolgozási technológia, amely a félvezető chipre helyezett digitális mikrotükröt használja, a 3D nyomtatás mellett a mobiltelefonokban és a filmvetítőkben is elterjedt. A DLP nyomtatással hihetetlenül részletes gyanta tárgyak nyomtathatók, például játékok, ékszerformák, fogászati alkalmazások, díszek, figurák, erősítők és más, precíz részletességű tárgyak.
Szelektív lézerolvasztás (SLM)
A szelektív lézerolvasztás (SLM) amelyet Wilhelm Meiners német tudós fejlesztett ki 1995-ben. Ez egy olyan fémadalékos gyártási technológia, amely nagy teljesítménysűrűségű lézert használ a fémes olvadékporok megolvasztásához, hogy teljes mértékben közel háló alakú alkatrészeket állítson elő.
Elektronsugaras olvasztás (EBM)
Az EBM a 3D gyártás egyik típusa, amelyet fémtárgyak létrehozására használnak. A gyorsabb nyomtatási folyamat miatt gyakran a gyors gyártási technikák közé sorolják. Az alkatrészek előállításához az EBM nyomtatót magas vákuumban kell használni, hogy a fémport rétegről rétegre megolvassza. A porított fémet az elektronok nagy energiájú sugárzása olvasztja meg. Az elektronsugaras olvasztás hasonló a szelektív lézerolvasztáshoz, mivel mindkettő porból nyomtat, ám az EBM technológia lézer helyett elektronsugarat használ.
Az EBM 3D nyomtatók egy porkonténerrel, egy poradagolóval, egy pormegújítóval, egy elektronsugarat kibocsátó energiaforrással és egy fűtött építési platformmal rendelkeznek. Fontos megjegyezni, hogy a nyomtatási eljárásnak vákuumban kell történnie, különben az elektronsugár nem működne, ha az elektronok gázmolekulákkal ütköznének.
Lemezelt darabgyártás (LOM)
A LOM egy olcsó módja annak, hogy 3D nyomtatással többféle típusú és anyagú tárgyakat nyomtassunk, többek között papírból, polimerből és fémből, de mindegyikhez más-más módszerre van szükség az anyagrétegek egymáshoz való rögzítéséhez. Ezt a fajta additív gyártást a Helisys Inc. (ma Cubic Technologies) fejlesztette ki. A módszer a fent említett társaihoz képest kevésbé népszerű, de egyre népszerűbbé fog válni, mivel hatékony, megfizethető és gyors. Hogyan működik? A LOM technológiában a rétegelt anyagot az építőplatformra (3D nyomtatóágyra) gördítik. Jellemzően az anyag ragasztó bevonattal rendelkezik, amely az adagolóhenger melegítésekor megolvad. A következő réteg ezután az előzőhöz csatlakozik.
Az additív gyártás ipari alkalmazásai
A 3D nyomtatást alkalmazó szervezetek száma jelentősen megnőtt. Számos iparág használja a 3D nyomtatást, a vállalatok pedig új üzleti modelleket és lehetőségeket dolgoznak ki.
A Grand View Research szerint 2022 és 2030 között a 3D nyomtatás piaca várhatóan 20,8%-os összetett éves növekedési rátával (CAGR) fog növekedni a 2021-es 13,84 milliárd dollárról. A 3D nyomtatók szállítása 2021-ben világszerte elérte a 2,2 millió darabot, 2030-ra pedig várhatóan 21,5 millió darabot szállítanak majd az eszközökből.
Repülőgépipar és honvédelem
A repülőgépipari és honvédelmi vállalatok az elsők között kezdték el alkalmazni a 3D nyomtatást. Számos kulcsfontosságú márka, például a GE, az Airbus, a Boeing vagy a Safran profitál a 3D nyomtatásból, mivel a repülőgépiparban e technológia fő előnye a súlycsökkentés, amely jelentős pozitív hatással van a hasznos teherbírásra, az üzemanyag-hatékonyságra és a szén-dioxid-kibocsátásra.
A tervezők robusztus anyagú és konszolidált alkatrészeket hozhatnak létre, ami különösen fontos a repülőgépiparban. A 3D nyomtatás lehetővé teszi a repülőgépek számára hasznos alkatrészek, például falpanelek, légcsatornák és szerkezeti fémelemek tervezését.
A hadsereg számára számos előnnyel jár a drónok használata. A drónok alkatrészei, az elektronikai részek kivételével, additív gyártással is előállíthatók. A 3D modellek létrehozásának technológiája egyszerűvé teszi a tartozékok, például tokok, borítók, tartók és erősítők gyártását, amelyek lehetővé teszik a drónok megfelelő tárolását. A fém 3D nyomtatást továbbá repülőgép- és katonai berendezések javítására is használják.
Autóipar
Az autóiparnak könnyű alkatrészekre és a zord környezetnek való ellenállásra van szüksége, hogy javítsa a vezetési kényelmet, és a járművek túléljék a különböző környezeti feltételeket. A Porshe például innovatív 3D nyomtatási technológiát tervezett a kagylóülésekhez, amely lehetővé teszi az ügyfelek számára, hogy vezetés közben háromféle keménységi szint közül választhassanak. Az ergonomikus illeszkedés mellett az ülések kisebb súlyt, egyedi kialakítást, jobb kényelmet és passzív klímavezérlést kínálnak, mivel a „3D-s technológiával nyomtatott, testformájú kagylóülés” a könnyűszerkezetes konstrukción alapul.
A 3D nyomtatás robusztus, magas hőmérsékletű anyagok és módszerek széles skáláját kínálja, és rendkívül bonyolult formák létrehozására is képes. A szervezetek többek között több tervezési lehetőség tesztelésére és egyedi alkatrészek gyártására használják. Manapság azonban egy új ágazatot nyitott meg a klasszikus autók restaurálása és az utángyártott alkatrészek reprodukálása terén.
Egészségügy és orvostudomány
A 3D nyomtatást nagyon gyakran használják az orvosi és fogászati alkalmazásokban, például szövetek és szervek bionyomtatására, anatómiai modellek készítésére a sebészeti előkészítéshez, valamint a fogászatban ív- vagy korona- és hídmodellek készítésére. Arra is megvan az esély, hogy a jövőben a 3D nyomtatás lesz a fogászati gyártás fő technológiája. Az orvostechnikai gyártók a merev, rugalmas, átlátszatlan és átlátszó 3D nyomtatási anyagok széles választékát használják a minden eddiginél testreszabhatóbb formatervek létrehozásához. Ami a legfontosabb, hogy az implantátumok és fogászati készülékek 3D nyomtatással a páciensspecifikus igényeknek megfelelően készíthetők el.
Míg emberi testrészek jelenleg nem nyomtathatók 3D-ben, a 3D nyomtatási technológia segítségével készíthetők olyan mesterséges élő szövetek, amelyek hasonlítanak a valódi szövetekre. A Nature Biotechnology szerint az olyan fejlesztések, mint a 3D bionyomtatás, lehetővé tették, hogy bonyolult, 3D-s, működő élő szöveteket hozzanak létre 3D nyomtatással, biokompatibilis anyagokkal, sejtekkel és segédkomponensekkel. Ez azt jelenti, hogy 3D bionyomtatással olyan struktúrákat lehet előállítani, mint a csontok, a bőr vagy a szervek.
Fogyasztási cikkek
A fogyasztási cikkek ágazata már régóta felismerte a 3D nyomtatás előnyeit a terméktervezés és -fejlesztés terén. A 3D nyomtatás sokféle alkalmazása megfelel a fogyasztói igényeknek. Az alkalmazások egy része a sport-, szabadidős és életmódcikkek, például a lábbelik és a szemüvegek számára készült. Más alkalmazásokkal olyan apró tárgyak készíthetők, mint például az ékszerek, a gyerekjátékok, emellett pedig szinte minden meghibásodott tárgyhoz nyomtatható már új cserealkatrész. A technológiát házak és autók építésére is használják, gazdaságos és fenntartható módon, mivel a 3D nyomtatóval számítógépen tervezett házak lehetővé teszik, hogy pontosan tudjuk, hány anyagra van szükség egy ház megépítéséhez.
Egyéb alkalmazások
Nehéz felsorolni a 3D nyomtatás összes alkalmazási lehetőségét. Csak néhányat emeltünk ki, de érdemes megemlíteni a fejlett technológiában való felhasználását, mint például a LiDAR, a GIS vagy az MI.
Például a 3D nyomtatás és a földrajzi információs rendszerek (GIS) javíthatják a vizuális képességeket oktatási célokra. A GIS olyan eszköz vagy rendszer, amely a Föld felszínén lévő pozíciókkal kapcsolatos adatokat jelenít meg és elemez. Ez a térképes-navigációs alkalmazások (3D térképezés) alapja, amely segít a felhasználóknak meghatározni a helyzetüket. Különösen hasznos lehet a diákok számára, mivel bevonja őket az alapvető GIS- és földrajzi elképzelésekbe, beleértve a térképezést, a vetítést és a topológiát. A 3D-s térképezési technológia lehetővé teszi, hogy gépi tanulási algoritmusok segítségével profilokat készítsenek a tárgyakról, és háromdimenziós modellt hozzanak létre róluk, amely leképezhető a valós környezetre.
Nemrégiben a 3D szkennelés az okostelefonokban is megjelent. A LIDAR, a Föld felszínének vizsgálatára használt távérzékelési módszer technikája lehetővé teszi, hogy a mobileszközökön a kiterjesztett valóság (AR) alkalmazások lényegesen nagyobb pontossággal fussanak. A LiDAR okostelefonokba való beépítésének köszönhetően a kiterjesztett valóságot használó lakberendezési alkalmazást használó ügyfél a kamera látómezejében megjelenítheti és „elhelyezheti” a bútorokat, így megnézheti, hogy a bútorok hogyan mutatnak majd az otthonában (lásd az alábbi képet).
A 3D nyomtatás előnyei
A 3D nyomtatás lehetővé teszi a koncepció tesztelését és vizualizálását a tényleges megvalósítás előtt, ha a termék életre keltését fontolgatja, mielőtt a teljes körű gyártási szakaszba lépne. Ezért a fő előnye az, hogy a fogyasztók a legtöbb árut számítógépen tervezhetik és otthon „gyárthatják”. Persze a technológia azért ennél több előnnyel is jár.
Az additív gyártás legnagyobb előnyei:
- A költségek és a gyártási idő csökkentése
- A hulladék minimalizálása
- Hibák csökkentése
- Az egészségügyi ellátás fejlesztése
- Komplex alkatrészek gyártása fejlett anyagokból
- Könnyű hozzáférés
- Flexibilis kivitel
- Igény szerinti nyomtatás
- Környezetbarát
A 3D nyomtatás mint innovatív technológia
Egyre több vállalat alkalmazza a 3D nyomtatási eljárást, mivel az a hagyományos gyártási módszerek nagy versenytársa. Egyesek még azon is elgondolkodnak, hogy az additív gyártás végül felváltja-e majd a hagyományos technikákat. Tagadhatatlan, hogy szinte minden iparág kezdi használni. Különösen az intelligensebb megoldások és a digitális gyártás előtérbe kerülésével a 3D nyomtatási technológia ismertsége csak növekedni fog.
Ajánlott termékek
Összeszerelt 3D nyomtatók
Összeszerelést igénylő 3D nyomtatókészletek
NYÁK-nyomtató, V-ONE, Voltera
3D nyomtató-szálak, RND
