Lär dig mer om industriella tillämpningar av 3D-utskrift

Tekniken för 3D-utskrift, som ibland kallas additiv tillverkning, har kommit långt sedan starten på 1980-talet. Även om 3D-utskrift ursprungligen var avsedd för snabba prototyper har tekniken utvecklats inom många andra sektorer. Fordon, arkitektur, teknik, konstruktion (AEC), industridesign, utbildning, tandvård, medicin, militär, flyg, kläder, glasögon, konst och smycken, livsmedel och många andra använder additiv tillverkningsteknik för både prototyptillverkning och distribuerad tillverkning.

I dag kommer vi att ta upp några av tillämpningarna av 3D-utskrift genom att visa upp lösningar för forskare, lärare och ingenjörsstudenter, lyfta fram fördelarna med 3D-utskrift och beskriva dess vanligaste användningsområden.

Additiv tillverkning och tillhörande terminologi

Termen additiv tillverkning (AM, Additive Manufacturing) avser ett tredimensionellt fast föremål av i princip vilken form som helst som kan skapas från en digital modell. Det innebär att man applicerar tunna lager av flytande, pulveriserad plast eller metall och sedan sammanfogar dessa lager för att skapa ett objekt

En annan term som rör additiv tillverkning är “3D-utskrift av prototyper”. Vi nämnde det i inledningen, det kallas också för “rapid prototyping” och är en process där man skapar olika delar av flera materialskikt. 3D-utskriftsprototyper är ett enkelt, snabbt och prisvärt sätt att skapa produkter.

År 2015 skapades ISO/ASTM 52900 standard för att definiera den terminologi som används inom tekniken för additiv tillverkning (AM), som använder sig av principen om additiv formning och gör det möjligt att bygga verkliga tredimensionella geometrier (3D) genom att lägga till material gradvis. Mer information om grunderna och vokabulären kan hittas här.

7 typer av 3D-utskriftsteknik

Om du är ny i 3D-utskriftssammanhang är det viktigt att ta reda på vilka processer och material som finns tillgängliga. Det finns olika 3D-utskriftsmetoder som används för att bygga 3D-strukturer och objekt, och vissa är mer populära än andra.

  1. Stereolitografi (SLA)
  2. Smält pålagrad modellering (FDM, Fused Deposition Modeling)
  3. Selektiv lasersintring (SLS, Selective Laser Sintering)
  4. Digital ljusbehandling (DLP, Digital Light Processing)
  5. Selektiv lasersmältning (SLM, Selective Laser Melting)
  6. Smältning med elektronstråle (EBM, Electron Beam Melting)
  7. Tillverkning av laminerade föremål (LOM, Laminated object manufacturing)

Stereolitografi

SLA är en av de äldsta processerna för 3D-utskrift och uppfanns av Chuck Hull 1986. Det är en perfekt metod för mekanikingenjörer som vill bekräfta om en del kan passa in i deras konstruktion. Stereolitografi är dock inte bara användbart för ingenjörer; om du vill skriva ut en plastprototyp av ett projekt är det också en utmärkt teknik. 

Hur fungerar en SLA-skrivare? SLA-skrivare fungerar inte som vanliga bordsskrivare. De arbetar med ett överskott av flytande plast som efter härdning och formning bildar ett fast föremål. En del av skrivaren sjunker ner i tanken en liten bit när plasten hårdnar, och lasern skapar ytterligare ett lager tills utskriften är klar. Varje lager skapas av skrivaren med hjälp av en kraftfull laser som styrs av X- och Y-filterspeglar, även kallade galvanometrar eller galvo.

Smält pålagrad modellering (FDM, Fused Deposition Modeling)

FDM (Fused Deposition Modeling) är för närvarande den mest populära tekniken för 3D-utskrift. Med den här tekniken kan du skriva ut prototyper och även konsumentprodukter, t.ex. plastredskap, legobitar etc.

Proceduren att använda en 3D-skrivare för att tillverka tredimensionella föremål med hjälp av avancerad modern additiv teknik – FDM-modellering (Fused Deposition Modelling).

FDM-skrivaren smälter termoplastiska filament som ABS (akrylnitrilbutadienstyren) och PLA (polymjölksyra) och applicerar dem lager för lager på en byggplattform med hjälp av uppvärmda munstycken. Ett lager i taget appliceras tills delen är klar. Förutom termoplast kan den extrudera stödmaterial. Det liknar på något sätt stereolitografi. 

Selektiv lasersintring (SLS)

SLS är en 3D-teknik där polymerpulverpartiklar sintras på en 3D-modell för att skapa en fast struktur med hjälp av en högeffektslaser. Eftersom det ger en låg kostnad per del och fri design (SLS kräver inga stödstrukturer eftersom osinterat pulver omsluter komponenterna under utskrift) används det ofta av tillverkare och ingenjörer. 

SLS 3D-skrivare hjälper till att skapa komplexa geometrier som är svåra eller oöverkomligt dyra att tillverka med traditionella metoder, t.ex. rörliga delar, delar som går att låsa i varandra, delar med inre kanaler och annat. SLS lämpar sig för olika applikationer, så som skräddarsydd tillverkning, brygg- eller småbatchtillverkning och SLS-snabbprototypframställning.

Digital ljusbehandling (DLP, Digital Light Processing)

Larry Hornbeck från Texas Instruments konstruerade DLP 1987. Det är en annan 3D-utskriftsprocess som liknar stereolitografi, men ger snabbare utskriftstider än SLA. Både DLP och SLA fungerar dock med fotopolymerer. Den digitala ljusbehandlingstekniken, som använder digitala mikrospeglar på halvledarchipet, är vanlig i 3D-utskrifter,  mobiltelefoner och filmprojektorer. DLP-utskrift kan användas för att skriva ut otroligt detaljerade föremål i harts, t.ex. leksaker, smyckesformar, tandläkartillämpningar, prydnadsföremål, figurer, förstärkare och andra föremål med exakta detaljer.

Selektiv lasersmältning (SLM, Selective Laser Melting)

Selective Laser Melting (SLM) är en nyare 3D-teknik som utvecklades av den tyske forskaren Wilhelm Meiners 1995. Det är en teknik för additiv tillverkning av metall som använder en laser med hög effekttäthet för att smälta metalliska smältpulver för att tillverka nära-nätformade delar.

Objekt som skrivs ut på en metall-3D-skrivare.

Smältning med elektronstråle (EBM, Electron Beam Melting)

EBM är en typ av additiv tillverkning som används för att skapa metallföremål. Den kategoriseras ofta som en snabbproduktionsteknik tack vare den snabbare tryckprocessen. För att skapa delar måste man använda en EBM i ett högt vakuum för att smälta metallpulver lager för lager. Den pulveriserade metallen smälts med hjälp av en hög energimängd elektroner. Smältning med elektronstråle liknar selektiv lasersmältning eftersom båda skrivs ut från pulver, men EBM använder en elektronstråle i stället för en laser.

EBM 3D-skrivare har en pulverbehållare, en pulvermatare, en pulveråterstrykare, en energikälla som avger en elektronstråle och en uppvärmd konstruktionsplattform. Det är viktigt att komma ihåg att utskriftsprocessen måste ske i vakuum eftersom elektronstrålen annars skulle sluta fungera om elektronerna kolliderade med gasmolekyler.

Tillverkning av laminerade föremål (LOM, Laminated object manufacturing)

LOM är ett billigt sätt att 3D-skriva ut objekt i flera olika typer av material, inklusive papper, polymer och metall, men alla kräver en annan metod för att fästa ihop materialskivorna. Denna typ av additiv tillverkning utvecklades av Helisys Inc. (numera Cubic Technologies). Det är en mindre vanlig metod än de som nämns ovan, men den borde bli populärare då den är effektiv, prisvärd och snabb. Hur fungerar det? I LOM-tekniken rullas det skiktade materialet på byggplattformen (3D-skrivarens bädd). Vanligtvis har ämnet en vidhäftande beläggning som smälter när matningsrullen värms upp. Det följande lagret fäster sedan på det föregående.

Industriella tillämpningar av additiv tillverkning

Antalet verksamheter som använder 3D-utskrift har ökat betydligt. Många branscher använder additiv tillverkning och företag utvecklar nya affärsmodeller och möjligheter.

Enligt Grand View Research, förväntas marknaden för 3D-utskrifter öka med en årlig tillväxttakt (CAGR) på 20,8% mellan 2022 och 2030, från 13,84 miljarder dollar år 2021. leveranserna av 3D-skrivare nådde 2,2 miljoner enheter globalt år 2021 och 21,5 miljoner enheter förväntas levereras år 2030.

Flyg- och försvarsindustri

Företag inom flyg- och försvarsindustrin var bland de första att införa additiv tillverkning. Många huvudvarumärken drar nytta av 3D-utskrift, som GE, Airbus, Boeing och Safran, eftersom den största fördelen med denna teknik inom flygindustrin är viktminskningen, vilket har en stor positiv inverkan på nyttolast, bränsleeffektivitet och koldioxidutsläpp. 

3D-skrivare jetmotor utskriven modell metall plast

Konstruktörer kan skapa robusta material och konsoliderade komponenter, vilket är särskilt viktigt inom flygindustrin. 3D-utskrift gör det möjligt att utforma användbara delar för flygplan, t.ex. väggpaneler, luftkanaler och strukturella metallkomponenter.

Militären använder drönare, och varje komponent i drönarens montering, med undantag för de elektroniska delarna, kan tillverkas additivt. Tekniken för att skapa 3D-modeller gör det enkelt att tillverka tillbehör som väskor, skydd och fästen som gör det möjligt att förvara drönare på rätt sätt. Dessutom används 3D-utskrift av metall för att reparera flyg- och militärutrustning. 

Fordonsindustri

Fordonsindustrin behöver lätta komponenter och resistens mot tuff miljö för att förbättra körkomforten och få fordonen att klara olika miljöförhållanden. Till exempel Porsche designar en innovativ 3D-utskriftsteknik för skopor, som gör det möjligt för kunder att välja mellan tre hårdhetsnivåer för komfortlagret under körning. Förutom den ergonomiska passformen erbjuder sätena lägre vikt, unik design, förbättrad komfort och passiv klimatkontroll, eftersom det 3D-printade bodyformsätet är baserat på lättviktskonstruktion.

3D-holografisk modellprojektion av en elbil. 

Additiv tillverkning erbjuder ett stort utbud av robusta material och metoder för höga temperaturer och förmågan att konstruera extremt komplicerade former. Organisationer använder den bland annat för att testa flera konstruktionsalternativ och för att tillverka specialanpassade delar. Men det har nu öppnats upp en ny sektor för restaurering av klassiska bilar och reproduktion av reservdelar. 

Hälsovård och sjukvård

3D-utskrift är mycket vanligt inom medicinska och dentala tillämpningar, t.ex. bioprinting av vävnader och organ, anatomiska modeller för kirurgiska förberedelser och modeller för bågar eller kronor och bryggor inom tandvården. Mycket väl kan 3D-utskrift komma att bli den viktigaste tekniken inom tandteknisk produktion. Medicinska tillverkare använder en mängd olika styva, flexibla, opaka och transparenta 3D-utskriftsmaterial för att skapa konstruktioner som är mer anpassningsbara än någonsin tidigare. Det viktigaste är att implantat och tandtekniska hjälpmedel kan tillverkas med 3D-utskrift enligt patientspecifika behov.

Även om mänskliga delar för närvarande inte kan skrivas ut i 3D kan konstgjorda levande vävnader som liknar riktiga vävnader tillverkas med hjälp av 3D-utskriftsteknik. Enligt Nature Biotechnology har framsteg som 3D-bioprinting gjort det möjligt att skapa komplexa, 3D-fungerande levande vävnader med hjälp av 3D-printing med biokompatibla material, celler och hjälpkomponenter. Detta innebär att strukturer som ben, hud och organ kan tillverkas genom 3D-bioprinting.

En design av en tand i en medicinsk 3D-skrivare.

Konsumtionsvaror

Konsumtionsvarusektorn har länge insett fördelarna med 3D-utskrifter för produktdesign och produktutveckling. Mångfalden tillämpningar för 3D-utskrifter uppfyller konsumenternas behov. Några av tillämpningarna är för sport-, fritids- och livsstilsvaror, t.ex. skor och glasögon. Andra är små föremål som smycken, leksaker för barn och reparationer för nästan allt som går sönder; det används också för att bygga hus och bilar på ett ekonomiskt och hållbart sätt, eftersom man kan konstruera hus i en dator med hjälp av en 3D-skrivare, och veta exakt hur mycket material som behövs för att bygga huset. 

Andra applikationer

Det är svårt att beskriva alla tillämpningar av 3D-utskrift. Vi har bara lyft fram några, men det är värt att nämna dess användning inom avancerad teknik som LiDAR, GIS och AI. 

Till exempel kan 3D-utskrifter och geografiska informationssystem (GIS) förbättra de visuella möjligheterna i undervisningssyfte. Det är ett verktyg eller system som visar och analyserar data om positioner på jordens yta. Det är en bas för kart- och navigationstillämpningar (3D-kartläggning) som hjälper användaren att bestämma var han eller hon befinner sig. Den kan vara särskilt användbar för studenter genom att involvera dem i grundläggande GIS- och geografiska idéer, inklusive kartläggning, projektion och topologi. 3D-kartläggningsteknik gör det möjligt att använda algoritmer för maskininlärning för att profilera objekt och skapa en tredimensionell modell av dem som kan kartläggas i den verkliga miljön.

På senare tid finns nu 3D-skanning också i smartphones. LIDAR, en fjärranalysmetod som används för att undersöka jordens yta, gör det möjligt för mobila enheter att köra appar för förstärkt verklighet (AR) med betydligt högre noggrannhet. Tack vare LiDAR i smartphones kan en kund som använder en app för inredningsdesign med förstärkt verklighet visualisera och “placera” möbler inom kamerans synfält så att de vet hur möblerna kommer att se ut i deras hem (se bilden nedan)

En person använder en app för inredningsdesign med förstärkt verklighet för att se hur möblerna kommer att se ut i hemmet

Fördelar med 3D-utskrift

3D-utskrift gör det möjligt att testa och visualisera ett koncept innan det verkligen genomförs om du funderar på att förverkliga din produkt innan du går över till fullskalig produktion. Den största fördelen är därför att konsumenter kan utforma de flesta varor på datorer och tillverka dem hemma. Men, listan över fördelarna är dock lite längre.

De största fördelarna med additiv tillverkning:

  • Minskar kostnader och produktionstid
  • Minimerar avfall
  • Minskar antalet fel
  • Förbättrar hälso- och sjukvård
  • Tillverka komplexa delar av avancerade material
  • Lättillgängligt
  • Flexibel design
  • Utskrift på begäran
  • Miljövänligt

3D-utskrift som innovativ teknik 

Fler och fler företag tar till sig 3D-utskriftsprocessen eftersom den är en stark konkurrent till traditionella tillverkningsmetoder. Vissa undrar till och med om additiv tillverkning så småningom kommer att ersätta traditionella tekniker. Det är uppenbart att nästan alla branscher börjar använda sig av den. Särskilt med fokus på smartare lösningar och digital tillverkning kommer medvetenheten om 3D-utskriftsteknik att öka.

Rekommenderade produkter

Monterat 3D-skrivarpaket

Omonterat 3D-skrivarpaket

Kretskortsskrivare, V-ONE, Voltera

3D-skrivarfilament, RND

Total
0
Shares
Tidigare inlägg
Medicinsk PCB

Val av strömförsörjning för sjukvård och hälsovård; känna till dina MOOPs från dina MOPPs

Relaterade inlägg