Tlačiarne na trojrozmernú tlač alebo 3D tlačiarne sú zariadenia na výrobu trojrozmerných modelov. Zariadenia úzkej špecializácie majú neobmedzené možnosti a dnes sa používajú v každej oblasti života moderného človeka. Pred niekoľkými rokmi sa 3D tlačiarne stali dostupnými pre domáce použitie a súčasne sa dostali aj do niektorých malých podnikov.

História vzniku takejto technológie siaha do polovice 80. rokov minulého storočia, no slabý rozvoj výpočtovej techniky „zmrazil“ aktívne zavádzanie trojrozmernej tlače do každodenného života a výroby.

3D tlačiarne sa výrazne rozbehli až v roku 2005 spolu so zlepšením počítačových schopností. Potom bola verejnosti predstavená prvá trojrozmerná tlačiareň, ktorá vytlačené farebne. Následne technológia prešla mnohými zmenami a bol vyvinutý moderný softvér na riadenie procesu tlače. Vďaka tomu majú používatelia prístup k funkčnej jednotke schopnej „vytlačiť“ obaly na telefóny alebo nové 3D tlačiarne.

Prvá 3D tlačiareň

Ako to funguje

Všeobecný princíp fungovania trojrozmernej tlačiarne je teoreticky jednoduchý a jasný. Objekt alebo jeho časť je vytvorená v 3D modelovacom programe (veľké modely sú rozdelené do niekoľkých prvkov). Súbor je potom odoslaný na spracovanie špecializovaným programom (na vygenerovanie G-kódu), po ktorom prichádza na rad technológia. G-kód rozdeľuje digitálny model na stovky horizontálnych stôp a nastavuje cestu pre tlačový vozík. Roztavený materiál sa nanáša vrstva po vrstve na podklad, čím vzniká úplne hmatateľný predmet.

Schematické znázornenie 3D tlačiarne

Na 3D tlač sa používa sedem hlavných technológií, no väčšina z nich sa používa len na priemyselné účely. Pre amatérsku „plastovú tlač“ a malé podniky boli vyvinuté relatívne kompaktné a lacné zariadenia.

• Technológia ZlúčenýDepozíciaModelovanie(aka FDM tlačiarne) sa stali široko používanými na trojrozmerné modelovanie a varenie. Materiál sa zahrieva a privádza na platformu cez trysku tlačovej hlavy. Objekt „rastie“ na rovine a jeho rozmery sú obmedzené parametrami platformy.

• Technológia Polyjet vyvinuté v roku 2000 a dnes ich vlastní Stratasys. Trojrozmerné objekty vznikajú polymerizáciou fotopolyméru pod vplyvom UV žiarenia. Fotopolymér je drahý a krehký plast, preto sa takéto tlačiarne v bežnom živote prakticky nepoužívajú, ale vďaka precíznemu detailu modelovania sa zariadenia využívajú v medicíne a priemysle (na vytváranie prototypov).

Všetko o tom, ako fungujú moderné tlačiarne na 3D „plastovú tlač“, sa dozviete z tematického videa, napríklad tohto. Často tiež predvádzajú, ako stroj pracuje s rôznymi materiálmi pri výrobe predmetu.

Správa procesov tlače

Používateľ zvyčajne potrebuje vykonať niekoľko nastavení bezprostredne pred tlačou.

1. Zariadenie je pripojené k PC pomocou USB kábla.
2. Kalibrácia pohybu dýzy vzhľadom na platformu.
3. Nastavenie a ovládanie ohrevu plošiny a trysky dávkovača.
4. Monitorovanie pomeru teplôt.
5. Kontrola procesu tlače (extruder) - nastavenie rýchlosti podávania materiálu, výmena plastových kotúčov.

Tlač je riadená cez PC. Na vytvorenie objektu od nápadu po výsledok potrebuje používateľ špeciálne Programy na 3D modelovanie a ovládanie zariadenia.

Moderné technológie zatiaľ neumožňujú vytvoriť tlačiareň, kde sa všetky operácie vykonávajú stlačením niekoľkých kláves, preto je potrebné ovládať veľa špecifických programov a základov modelovania.

Pred spustením tlače operátor nakalibruje tlačiareň a nastaví ju vzhľadom na stôl platformy. Základný firmvér tlačiarne poskytuje sériu predvolených nastavení, pričom používateľ vykoná presnejšie nastavenia v závislosti od použitého materiálu. Na vytvorenie trojrozmerných prvkov na báze ABS alebo PLA sa teda nastavia rôzne teploty topenia. Počas procesu tlače operátor sleduje prácu prostredníctvom softvéru. Celý proces tvorby modelu môže trvať niekoľko hodín až jeden deň, kľúčovým faktorom je tu presnosť vyhotovenia: presné objekty s detailnými nákresmi sa vyrábajú dlhšie ako tie hrubšie.

Kde môžete použiť 3D tlačiareň?

Rozsah 3D tlačiarní je pomerne široký: od amatérskych remesiel až po podnikanie. Podnikatelia spolu so študentmi architektúry si ako prví všimli obrovský potenciál „plastovej tlače“.

Objemové modelovanie sa používa aj v klenotníckom priemysle a vo všetkých oblastiach dizajnu a strojárstva.

Ak sa predtým tlač vykonávala pomocou plastu, dnes je rozmanitosť materiálov pôsobivá. Výrobcovia vyrábajú rôzne základne, napríklad napodobňujúce prírodné drevo. Ako tlačový materiál si navyše môžete vybrať nielen polyméry, ale aj nylon. Táto myšlienka bola veľmi rýchlo vyzdvihnutá dizajnérmi a vytvorená celá kolekcie oblečenia.

Zberatelia hazardných hier plne ocenia potenciál „plastovej tlače“, pretože teraz je možné vytvoriť akýkoľvek objekt: modely lietadiel, známe postavy, umelecké predmety. Vzácne zberateľské predmety môžu byť dosť drahé, rovnako ako veľmi dobrá tlačiareň do domácnosti a tu je voľba jasná.

Zobrať alebo nebrať: výhody a nevýhody zariadení

Použitie 3D tlače poskytuje používateľom rozsiahle možnosti. Kľúčovou výhodou techniky je reprodukcia akéhokoľvek trojrozmerného objektu a tu prakticky neexistujú žiadne výnimky. Všetko, čo sa dá vyrobiť z plastu, sa dá „vytlačiť“, či už originálny drahý nárazník zo zahraničného auta alebo návrh budúceho nákupného centra na výstave architektov. Rozhodujúca bude veľkosť zariadenia, presnejšie veľkosť jeho pracovnej plochy.

Potenciál „plastovej tlače“ je komplikovaný proces prípravy náročný na prácu a manažment vyžadujúci vysoko špecializované znalosti. Neskúsený používateľ nie vždy dokáže v 3D-MAX navrhnúť čo i len jednoduchý geometrický útvar, nehovoriac o vlastnom portréte. Ak chcete používať technológiu, musíte ju ovládať, a to bude nejaký čas trvať.

Druhou nevýhodou 3D tlačiarne je jej rozmery. Kompaktné modely sú tiež k dispozícii na predaj, ale ich maximálne veľkosti tlače sú príliš skromné, aj keď sú celkom vhodné na fázovú výrobu inštalácií alebo architektonických projektov.

Samozrejme, je iracionálne kupovať 3D tlačiareň ako hračku, priemerná cena modelov v lacnom segmente presahuje 30 000 rubľov. Nákup bude ziskový, ak bude zariadenie vykonávať konkrétnu úlohu: vytvárať zisk, rozvíjať zručnosti, získať vzdelanie, zapojiť sa do tvorivosti, pomáhať pri práci.

V blízkej budúcnosti môžeme očakávať nový vývoj v tejto oblasti. Dnes je už možné vytlačiť skutočnú bytovú stavbu z bežnej stavebnej zmesi. Prirodzene, takéto zariadenia nie sú dostupné pre domáce použitie, ale už samotná skutočnosť použitia nových tlačových materiálov sľubuje metodické rozšírenie možností objemovej tlače v domácich podmienkach.

Od začiatku nového tisícročia sa pojem „3D“ pevne udomácnil v našom každodennom živote. V prvom rade si ho spájame s kinom, fotografiou či animáciou. V súčasnosti sa však nenájde človek, ktorý by aspoň raz v živote nepočul o takom novom produkte, akým je 3D tlač.

Čo to je a aké nové príležitosti v kreativite, vede, technike a každodennom živote nám prinášajú technológie 3D tlače, na to sa pokúsime prísť v článku nižšie.

Najprv však trocha histórie. Aj keď sa o 3D tlači veľa hovorí len v posledných rokoch, táto technológia je tu už pomerne dlho. V roku 1984 Charles Hull vyvinul technológiu 3D tlače na reprodukciu objektov pomocou digitálnych dát a o dva roky neskôr pomenoval a patentoval techniku ​​stereolitografie.

Táto spoločnosť zároveň vyvinula a vytvorila prvú priemyselnú 3D tlačiareň. Následne sa taktovky chopila spoločnosť 3D Systems, ktorá v roku 1988 vyvinula model tlačiarne pre 3D tlač doma SLA - 250.

V tom istom roku Scott Grump vynašiel modelovanie taveného depozície. Po niekoľkých rokoch relatívneho pokoja v roku 1991 Helisys vyvíja a predáva technológiu na výrobu viacvrstvových predmetov a o rok neskôr, v roku 1992, je v DTM uvedený na trh prvý selektívny laserový spájkovací systém.

Potom, v roku 1993, bola založená spoločnosť Solidscape, ktorá začala sériovú výrobu atramentových tlačiarní, ktoré sú schopné vyrábať malé diely s ideálnym povrchom a za relatívne nízke náklady.

Univerzita v Massachusetts si zároveň nechala patentovať technológiu 3D tlače, podobnú atramentovej technológii bežných 2D tlačiarní. Ale možno vrchol rozvoja a popularity 3D tlače stále nastal v novom, 21. storočí.

V roku 2005 sa objavila prvá tlačiareň schopná farebnej tlače, tú má na svedomí spoločnosť Z Corp s názvom Spectrum Z510 a doslova o dva roky neskôr sa objavila prvá tlačiareň schopná reprodukovať 50 % vlastných komponentov.

V súčasnosti sa rozsah možností a aplikácií 3D tlače neustále rozrastá. Ukázalo sa, že týmto technológiám podliehalo všetko – od ciev až po koralové útesy a nábytok. O oblastiach použitia týchto technológií si však povieme trochu neskôr.

Čo je teda 3D tlač?

V skratke ide o konštrukciu reálneho objektu na základe 3D modelu vytvoreného na počítači. Potom sa digitálny trojrozmerný model uloží vo formáte súboru STL, po čom 3D tlačiareň, ktorá vytlačí súbor na tlač, vytvorí skutočný produkt.

Samotný proces tlače je séria opakujúcich sa cyklov spojených s tvorbou trojrozmerných modelov, nanášaním vrstvy spotrebného materiálu na pracovný stôl (výťah) tlačiarne, posúvaním pracovného stola dole na úroveň hotovej vrstvy a odstraňovaním odpad z povrchu stola.

Cykly nasledujú nepretržite jeden po druhom: ďalšia vrstva materiálu sa nanesie na prvú vrstvu, elevátor sa opäť spustí a tak ďalej, až kým nebude hotový výrobok na pracovnom stole.

Ako funguje 3D tlačiareň?

Využitie 3D tlače je serióznou alternatívou k tradičným metódam prototypovania a malosériovej výrobe. Trojrozmerná alebo 3D tlačiareň, na rozdiel od bežnej, ktorá zobrazuje dvojrozmerné kresby, fotografie atď. na papieri, umožňuje výstup objemových informácií, to znamená vytváranie trojrozmerných fyzických objektov.

V súčasnosti môžu zariadenia tejto triedy pracovať s fotopolymérovými živicami, rôznymi druhmi plastových nití, keramickým práškom a kovovou hlinkou.

Čo je 3D tlačiareň?

Princíp fungovania 3D tlačiarne je založený na princípe postupného (vrstva po vrstve) vytvárania pevného modelu, ktorý je akoby „vyrastený“ z určitého materiálu, o ktorom bude reč o niečo neskôr. Výhody 3D tlače oproti bežným, manuálnym metódam stavania modelov sú vysoká rýchlosť, jednoduchosť a relatívne nízka cena.

Napríklad ručné vytvorenie dielu môže zabrať pomerne veľa času – od niekoľkých dní až po mesiace. Koniec koncov, to zahŕňa nielen samotný výrobný proces, ale aj predbežné práce - výkresy a schémy budúceho produktu, ktoré stále neposkytujú úplnú víziu konečného výsledku.

V dôsledku toho sa výrazne zvyšujú náklady na vývoj a zvyšuje sa čas od vývoja produktu po sériovú výrobu.

3D technológie umožňujú úplne eliminovať manuálnu prácu a potrebu robiť výkresy a výpočty na papieri - koniec koncov, program vám umožňuje vidieť model zo všetkých uhlov už na obrazovke a odstrániť zistené nedostatky, ktoré nie sú v procese tvorby, ako je to pri ručnej výrobe, ale priamo pri vývoji a vytvoriť model za pár hodín.

Zároveň je prakticky vylúčená možnosť chýb spojených s manuálnou prácou.

Čo je to 3D tlačiareň: video

Existujú rôzne technológie 3D tlače. Rozdiel medzi nimi spočíva v spôsobe nanášania vrstiev produktu. Pozrime sa na tie hlavné.

Najbežnejšie sú SLS (selektívna laserová laminácia), NRM (roztavená vrstva) a SLA (stereolitografia).

Najpoužívanejšou technológiou, vzhľadom na vysokú rýchlosť konštrukcie objektov, je stereolitografia alebo SLA.

Technológia SLA

Technológia funguje takto: laserový lúč je nasmerovaný na fotopolymér, po ktorom materiál stvrdne.

Ako fotopolymér sa používa priesvitný materiál, ktorý sa vplyvom atmosférickej vlhkosti deformuje.

Po vytvrdnutí sa dá ľahko lepiť, opracovávať a natierať. Pracovný stôl (výťah) je umiestnený v nádobe s fotopolymérom. Po prechode laserového lúča cez polymér a vytvrdnutí vrstvy sa pracovná plocha stola posunie nadol.

Technológia SLS

Spekanie práškových činidiel pod vplyvom laserového lúča – známe aj ako SLS – je jedinou technológiou 3D tlače, ktorá sa používa pri výrobe foriem na odlievanie kovov aj plastov.

Plastové modely majú vynikajúce mechanické vlastnosti, vďaka ktorým je možné ich použiť na výrobu plne funkčných produktov. Technológia SLS využíva materiály podobné vlastnosťami ako značky finálneho produktu: keramika, práškový plast, kov.

Štruktúra 3D tlačiarne vyzerá takto: práškové látky sa nanášajú na povrch výťahu a spekajú sa pôsobením laserového lúča do pevnej vrstvy, ktorá zodpovedá parametrom modelu a určuje jeho tvar.

Technológia DLP

Technológia DLP je nováčikom na trhu 3D tlače. Stereolitografické tlačové stroje sú dnes umiestnené ako hlavná alternatíva k FDM zariadeniam. Tlačiarne tohto typu využívajú technológiu digitálneho spracovania svetla. Mnoho ľudí sa pýta, čím tlačí 3D tlačiareň tejto vzorky?

Namiesto plastového vlákna a žhaviacej hlavy sa na vytváranie 3D tvarov používajú fotopolymérové ​​živice a DLP projektor.

Nižšie si môžete pozrieť video, ako funguje 3D tlačiareň:

Keď ste prvýkrát počuli o DLP 3D tlačiarni, čo to je, je úplne rozumná otázka. Napriek zložitému názvu sa zariadenie takmer nelíši od ostatných stolových tlačových strojov. Mimochodom, jeho vývojári, ktorých zastupuje spoločnosť
QSQM Technology Corporation už uviedla na trh prvé vzorky high-tech zariadení. Vyzerá to takto:

Technológia EBM

Stojí za zmienku, že technológie SLS/DMLS nie sú zďaleka jediné v tejto oblasti. V súčasnosti sa tavenie elektrónovým lúčom široko používa na vytváranie trojrozmerných kovových predmetov. Laboratórne štúdie ukázali, že použitie kovového drôtu na nanášanie vrstvy po vrstve pri výrobe vysoko presných dielov je neúčinné, takže inžinieri vyvinuli špeciálny materiál - kovovú hlinku.

Kovový íl používaný ako atrament pri tavení elektrónovým lúčom je vyrobený zo zmesi organického lepidla, kovových hoblín a určitého množstva vody. Aby sa atrament zmenil na pevný predmet, musí sa zahriať na teplotu, pri ktorej lepidlo a voda vyhoria a hobliny sa spoja do monolitu.

EBM 3D tlačiareň: ako to funguje

Je pozoruhodné, že tento princíp sa používa aj pri práci s tlačiarňami SLS. Ale na rozdiel od nich, EBM zariadenia generujú riadené elektronické impulzy namiesto laserového lúča na roztavenie kovovej hliny. Je potrebné povedať, že táto metóda poskytuje vysokú kvalitu tlače a vynikajúce vykreslenie malých detailov.

Dnes sa predávajú len priemyselné tlačiarne využívajúce technológiu EBM. Takto vyzerá jeden z nich:

Video nižšie jasne demonštruje možnosti 3D tlačiarne prispôsobenej na tavenie elektrónovým lúčom:

HPM technológia (FDM) HPM

Umožňuje vytvárať nielen modely, ale aj finálne diely zo štandardných, konštrukčných a vysokovýkonných termoplastov. Ide o jedinú technológiu, ktorá využíva termoplasty výrobnej kvality na zabezpečenie bezkonkurenčnej mechanickej, tepelnej a chemickej pevnosti dielov.

Tlač HPM je čistá, ľahko sa používa a je vhodná na kancelárske použitie. Termoplastické diely sú odolné voči vysokým teplotám, mechanickému namáhaniu, rôznym chemikáliám a vlhkému či suchému prostrediu.

Rozpustné pomocné materiály umožňujú vytvárať zložité viacúrovňové tvary, dutiny a otvory, ktoré by bolo problematické dosiahnuť konvenčnými metódami. 3D tlačiarne využívajúce technológiu HPM vytvárajú diely vrstvu po vrstve zahrievaním materiálu do polotekutého stavu a jeho vytláčaním podľa dráh vytvorených počítačom.

Na tlač technológiou HRM sa používajú dva rôzne materiály - jeden (hlavný) bude pozostávať z hotovej časti a pomocný, ktorý sa používa na podporu. Vlákna oboch materiálov sú privádzané z pozícií 3D tlačiarne do tlačovej hlavy, ktorá sa pohybuje v závislosti od zmeny súradníc X a Y a spája materiál, čím vytvára aktuálnu vrstvu, až kým sa základňa nepohne nadol a nezačne ďalšia vrstva. .

Keď 3D tlačiareň dokončí vytváranie dielu, zostáva už len mechanicky oddeliť pomocný materiál, prípadne rozpustiť saponátom, a potom je produkt pripravený na použitie.

Zaujímavé je, že v dnešnej dobe sú obľúbené nielen automatické stolné HPM tlačiarne, ale aj zariadenia na manuálnu tlač. Okrem toho by bolo správne nazvať ich nie tlačiarňami, ale perami na kreslenie trojrozmerných objektov.

Perá sú vyrábané rovnakým spôsobom ako tlačiarne pomocou technológie vrstvenia po vrstve. Plastová niť sa privádza do rukoväte, kde sa roztopí na požadovanú konzistenciu a okamžite sa vytlačí cez miniatúrnu trysku! S náležitou zručnosťou získate tieto originálne ozdobné figúrky:

A samozrejme, rovnako ako technológie, aj samotné tlačiarne sa od seba líšia. Ak máte tlačiareň, ktorá funguje podľa SLA, tak na nej nebude možné použiť technológiu SLS, t.j. každá tlačiareň je vytvorená len pre konkrétnu technológiu tlače.

Farebná 3D tlač

Táto technológia je jediná svojho druhu, ktorá umožňuje získať predmety v celej dostupnej škále odtieňov. Je pozoruhodné, že k zafarbeniu výrobkov dochádza priamo pri ich výrobe. S jeho pomocou sa získajú fotorealistické objekty. Práve to vzbudzuje skutočný záujem zo strany dizajnérov.

Často sa ako východiskový materiál používa prášok na báze sadry. Kefy a valčeky tvoria nie veľmi hrubú vrstvu spotrebného materiálu. Ďalej sa pomocou pohyblivej hlavy nanášajú na požadované miesta mikrokvapky látky podobnej lepidlu (predtým sa natrie v požadovanej farbe). Svojím zložením pripomína kyanoakrylát. Hotový viacfarebný objekt sa vytvára vrstvu po vrstve. Finálna úprava produktu kyanoakrylátom mu dodáva lesk a pevnosť.

Priemyselné a stolové farebné 3D tlačiarne

Moderný trh ponúka rôzne viacfarebné 3D tlačiarne. S ich pomocou doma vznikajú farebné predmety. Väčšina jednotiek je určená na profesionálne použitie.

Profesionálna farebná tlač na 3D tlačiarni sa vykonáva pomocou:

1. Pravítka Zprinter od známej značky 3D Systems. Tieto zariadenia dokážu vytvárať veľké, viacfarebné objekty. Vybavený 5 kazetami a automatickým systémom nanášania prášku. Technológia je takmer 100% automatizovaná, takže nie je potrebné nastavovať ani kontrolovať proces tlače. Modely vážia približne 340 kilogramov. Cena sa pohybuje od 90 do 130 tisíc dolárov.

2. Plnofarebná 3D tlačiareň Мсor Iris. Viacfarebné výrobky vznikajú zlepovaním jednotlivých papierikov. Táto jednotka od Mcor Technologies Ltd vytvára trojrozmerné fotorealistické modely s dobrými indikátormi pevnosti. Dokáže vygenerovať až milión farieb. Stojí 15 tisíc dolárov.

Stolové modely pre domáce použitie:

1. Farebná 3D tlačiareň 3D Touch. Táto jednotka pracuje pomocou technológie FDM. Model môže byť vybavený jednou, dvoma alebo dokonca tromi vytláčacími hlavami. Pracuje s ABS alebo PLA plastom. Váži nie menej ako 38 kilogramov. Náklady - asi 4 tisíc dolárov.

2. Trojfarebná 3D tlačiareň BFB 3000 RANTHER - prvá farebná tlačiareň, ktorá bola uvedená na trh. Dnes je jeho hodnota asi 2,5 tisíc dolárov. Ako pracovný materiál sa používa štandardná plastová niť. Na prácu budete potrebovať niť troch farieb.

3. Jedným z najlacnejších modelov je РroDesk3D. Na vytváranie produktov sa používa systém piatich kaziet. Je možné pracovať s PLA alebo ABS plastom. Tlačiareň je vybavená systémom automatického nastavovania. Stojí to len 2 tisíc dolárov. Žiaľ, nemôže sa pochváliť vysokým rozlíšením tlače.

Aplikácie 3D tlače

3D tlač otvorila veľké možnosti na experimentovanie v takých oblastiach, ako je architektúra, stavebníctvo, medicína, vzdelávanie, odevný dizajn, malovýroba, šperky a dokonca aj v potravinárskom priemysle.

V architektúre napríklad 3D tlač umožňuje vytvárať trojrozmerné modely budov, alebo aj celých štvrtí so všetkou infraštruktúrou – námestia, parky, cesty a pouličné osvetlenie.

Vďaka lacnému sadrovému kompozitu použitému v tomto prípade sú zabezpečené náklady na hotové modely. A viac ako 390 tisíc odtieňov CMYK vám umožní farebne realizovať akúkoľvek, aj tú najodvážnejšiu predstavu architekta.

3D tlačiareň: aplikácia v oblasti stavebníctva

V stavebníctve existuje dôvod predpokladať, že v blízkej budúcnosti bude proces výstavby budov oveľa rýchlejší a jednoduchší. Kalifornskí inžinieri vytvorili systém 3D tlače pre veľké objekty. Funguje na princípe stavebného žeriavu, ktorý stavia steny z vrstiev betónu.

Takáto tlačiareň dokáže postaviť dvojposchodový dom len za 20 hodín.

Potom budú musieť pracovníci vykonávať iba dokončovacie práce. 3D House 3D tlačiarne si postupne získavajú silné postavenie v malosériovej výrobe.

Tieto technológie sa používajú najmä na výrobu exkluzívnych produktov, ako sú umenie, postavy na hranie rolí, prototypové modely budúcich produktov alebo akékoľvek dizajnové diely.

V medicíne majú lekári vďaka technológiám 3D tlače možnosť znovu vytvoriť kópie ľudskej kostry, čo im umožňuje presnejšie precvičovať techniky, ktoré zvyšujú záruku úspešných operácií.

3D tlačiarne sa čoraz viac využívajú v oblasti protetiky v zubnom lekárstve, keďže tieto technológie umožňujú vyrábať zubné protézy oveľa rýchlejšie ako pri klasickej výrobe.

Nie je to tak dávno, čo nemeckí vedci vyvinuli technológiu na získavanie ľudskej kože. Pri jeho výrobe sa používa gél získaný z darcovských buniek. A v roku 2011 sa vedcom podarilo reprodukovať živú ľudskú obličku.

Ako vidíte, možnosti, ktoré 3D tlač otvára takmer vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, sú skutočne neobmedzené.

Tlačiarne, ktoré vytvárajú kulinárske majstrovské diela, reprodukujú protetiku a ľudské orgány, hračky a vizuálne pomôcky, oblečenie a obuv, už nie sú výplodom fantázie autorov sci-fi, ale realitou moderného života.

A aké ďalšie obzory sa ľudstvu otvoria v najbližších rokoch, to môže byť obmedzené len fantáziou samotného človeka.

Inovatívne 3D technológie, ktoré sa stali senzáciou v nedávnej minulosti, sa teraz pevne udomácnili v našom každodennom živote. 3D filmy, špeciálne okuliare a všetko ostatné sa už nepovažuje za niečo také výstredné. Trojrozmerný obraz upúta pozornosť, zahaľuje a vyvoláva v divákovi pocit, akoby bol v ňom – to je určite zaujímavejšie ako bežný formát. Nestoja ani výrobcovia moderných tlačových zariadení. Pozoruhodným príkladom sú 3D tlačiarne. Čo to je a ako funguje 3D tlačiareň vám prezradíme v tomto článku.

Hlavnou úlohou týchto zariadení je tlačiť trojrozmerné modely z rôznych materiálov: papiera, plastov alebo aj zliatin ľahkých kovov, ktorých vrstvy sú na seba navrstvené a zlepené. Hrúbka jednej vrstvy je cca 0,1 mm. Podľa technických charakteristík tlače možno 3D tlačiarne rozdeliť na laserové a atramentové, ako bežné tlačiarne.

Laserová 3D tlač

Laserová technológia je založená na stereolitografii (SLA), ktorá umožňuje tlačiť 3D modely z CAD výkresov. Princíp je nasledujúci: vodnatý fotopolymér je osvetlený ultrafialovým lúčom a najtenšia vrstva stvrdne takmer okamžite. Špeciálny počítačový program rozdelí trojrozmerný model predmetu na státisíce takýchto vrstiev a tie sa položia na seba, zlepia sa špeciálnym lepidlom, vytvrdia a opäť ďalšia vrstva podľa daného parametre. Takto rastie hotový model vrstvu po vrstve na konci procesu sa očistí od prebytočného polyméru, premyje a vysuší. Technológia laserovej 3D tlače umožňuje reprodukovať trojrozmerné modely až do výšky 75 cm.

Atramentová 3D tlač

Technológia atramentovej 3D tlače je podobná ako pri bežnej atramentovej tlačiarni. Namiesto farby sa používa špeciálny plast, ktorý sa najskôr nahreje a roztaví, potom sa nanesie na podklad v mikroskopickej vrstve a veľmi rýchlo vytvrdne. Táto metóda tlače sa zvyčajne nazýva laserové spekanie (SLS) a okrem toho, že je nákladovo efektívnejšia ako technológia SLA, má výhodu v tom, že dokáže vyrábať 3D modely z kovu. Princíp činnosti 3D tlačiarne založenej na technológii spekania umožňuje ako práškový základ použiť rôzne polymérne materiály, ale aj keramiku alebo sklo. Ďalšou výhodou tejto metódy je, že niektoré modely tlačiarní umožňujú pridať farbu do použitého lepidla, čo umožňuje vytvárať viacfarebné modely.

Inovácie a neustály vývoj 3D tlače vytvára ďalšie príležitosti nielen pre dizajnérov, ale aj pre rôzne oblasti medicíny, priemyselnú výrobu a mnohé ďalšie. Koniec koncov, s pomocou takéhoto zariadenia môže byť akýkoľvek nápad prevedený do skutočného modelu alebo prototypu.

Dnes môžeme s istotou povedať: je nemožné si predstaviť modernú civilizáciu bez technológie 3D tlače a sotva je možné pomenovať inú technológiu, ktorá sa tak rýchlo rozvíja.

Cez stránky histórie

Angličan Babbage sa podľa mnohých počítačových expertov stal zakladateľom 3D tlače a vývojárom prvej konvenčnej tlačiarne. V roku 1822 začal vytvárať takzvaný „motor veľkých rozdielov“, určený na vykonávanie výpočtov a ich tlač. Ako všetky skvelé veci, aj Babbageove nápady ďaleko predbehli svoju dobu a po 20 rokoch sa projekt nikdy nerealizoval a bol uzavretý.

Babbageov motor veľkých rozdielov

Pred sekundou uplynulo viac ako 100 rokov, tentoraz sa uskutočnil úspešnejší pokus o vytvorenie tlačiarne. Prvá čiernobiela tlačiareň bola uvedená na trh v roku 1953. Prešlo ďalších 23 rokov a IBM vytvorilo prvú atramentovú farebnú tlačiareň. Dnes je počet tlačiarní v kanceláriách a iných organizáciách na druhom mieste za počtom počítačov.

V druhej polovici 80. rokov nastal ďalší technologický prelom. V roku 1986 Američan Check Hull sformuloval koncept trojrozmernej tlače a o dva roky neskôr jeho krajan Scot Crump na jej základe vyvinul technológiu FDM – lisovanie prostredníctvom rozkladu taviaceho sa materiálu. Za svoj vzhľad vďačia všetky v súčasnosti prevádzkované trojrozmerné tlačiarne.

Ako funguje 3D tlačiareň?

V porovnaní s tlačenou tlačiarňou, ktorá prenáša elektronický text na plochý papier, 3D tlačiareň pracuje s trojrozmernými informáciami. Jedným slovom obnoví objekt taký, aký je.

Ako tlačí 3D tlačiareň? Najprv sa v počítači pomocou špeciálneho programu vytvorí digitálny model objektu. Model akosi „rozkúskuje“ na vrstvy, po ktorých začne tlačiareň pracovať. Rovnako ako jej tlačový „brat“, 3D tlačiareň má svoj vlastný atrament, hoci pozostáva z kompozitného prášku.

Asi pred 10 rokmi sa používal iba jeden typ „atramentu“ - plast ABC. Dnes je ich už viac ako sto – polypropylén, betón, celulóza, nylon, kovové prášky, sadra, čokoláda a mnohé ďalšie.

Počas prevádzky sa východiskový materiál premieňa na hmotu, ktorá sa nanáša vrstva po vrstve na pracovnú plochu cez špeciálnu trysku. Po nanesení ďalšej vrstvy je možné na ňu naniesť lepiacu vrstvu a potom ďalšiu vrstvu „atramentu“. A tak ďalej, kým nie je objekt úplne reprodukovaný. 3D tlačiareň v akcii si môžete pozrieť na videu.

Ale toto je všeobecný princíp fungovania 3D tlačiarne, takzvaná technológia rýchleho prototypovania. Na jej základe bolo vyvinutých niekoľko metód. Tu je len niekoľko z nich.

Stereolitografia (SLA)

Jedna z prvých technológií 3D tlače. Použitým stavebným materiálom je zmes tekutého polyméru s tvrdidlom, trochu podobným epoxidovej živici. Polymerizácia a následné vytvrdzovanie zmesi prebieha pod vplyvom ultrafialového lasera.

Model je tvorený v tenkých vrstvách na pohyblivom substráte s otvormi pripevnenými k mikrovýťahu, ktorý sa pohybuje hore alebo dole do hĺbky jednej vrstvy. Počas ponorenia do tekutého polyméru sa laserový lúč fixuje na oblasti, ktoré sa majú vytvrdzovať. Po vytvorení jednej vrstvy sa obrobok zdvihne (klesne).

Táto technológia bola vyvinutá spoločnosťou 3D Systems. S technológiou atramentovej tlače má veľa spoločného. Zvláštnosťou zariadenia a princípom fungovania tejto 3D tlačiarne je, že využíva niekoľko (až niekoľko stoviek) trysiek usporiadaných v radoch na tlačovej hlave.

Atrament sa zahrievaním stáva tekutým a po nanesení vrstvy po vrstve na pracovný povrch vytvrdne pri izbovej teplote. Hlava sa pohybuje v horizontálnej rovine a vertikálny posun pri vytváraní každej novej vrstvy sa vykonáva spustením pracovného stola.

Selektívne laserové spekanie (SLS)

Skutočným prelomom bolo zavedenie technológií 3D tlače do spracovania kovov. Ako to funguje? Zvláštnosťou tejto technológie je, že funkciu pracovnej tekutiny plní kompozitný prášok pozostávajúci z častíc s priemerom 50 až 100 mikrónov. Prášok sa nanáša horizontálne v rovnomerných tenkých vrstvách a v konečnej fáze sa určité oblasti spekajú laserovým lúčom.

Jednou z hlavných výhod laserového spekania je jeho jedinečná hospodárnosť a takmer úplná bezodpadovosť v porovnaní s tradičnými mechanickými spôsobmi spracovania kovov - vŕtanie, frézovanie, rezanie, odlievanie a iné, ako aj minimálna konečná úprava.

Nevyhnutnou podmienkou pre laserové spekanie je dusíkové prostredie s minimálnym obsahom kyslíka, keďže proces prebieha pri vysokých teplotách.

Zoznam technológií 3D tlače sa zďaleka neobmedzuje len na toto. Dopĺňa ho lepenie filmu po vrstvách, tavenie po vrstvách, tlač po vrstvách roztaveným polymérovým vláknom a ultrafialové ožarovanie cez fotomasku.

Čo ešte mám vytlačiť?

Keď sme zistili, ako funguje 3D tlačiareň, je čas porozprávať sa o tom, čo sa s ňou dnes dá robiť. Rovnako ako módne a veľmi pohodlné oblečenie ho „vyskúšajú“ predstavitelia rôznych oblastí vedy a priemyslu. Ako sa ukázalo, môžete vytlačiť takmer všetko od spotrebného tovaru vyrobeného z plastu až po solárne panely, diely pre prúdové motory a lekárske protézy.

Armáda a stavitelia sledujú technológiu 3D tlače. Nie je to tak dávno, čo bola na palubu ISS dodaná 3D tlačiareň vyvinutá pre NASA, pomocou ktorej sa v podmienkach nulovej gravitácie vyrobilo niekoľko potrebných nástrojov. Je dosť možné, že týmto spôsobom sa budú musieť pri budúcej misii na Mars vyrábať jednotlivé náhradné diely priamo na palube kozmickej lode.

Zvažuje sa aj možnosť výstavby marťanských domov pomocou 3D tlače, na čo tam budú zo Zeme dodané špeciálne stavebné tlačiarne. Základom „atramentu“ pre nich bude marťanská pôda.

Na samom začiatku tohto storočia sa 3D stalo neoddeliteľnou súčasťou našich životov. Spočiatku vyvolával asociácie so svetom kinematografie, karikatúr či fotografií. Pochybujeme však, že v našej dobe existuje aspoň jeden človek, ktorý nepočul, čo je 3D tlač.

Čo je to za nový termín, ako to môže ovplyvniť život, produkciu a vedu Budyonnyho, uvidíme v tomto článku.

Hneď na úvod vám ponúkame krátky exkurz do histórie. Hoci sa o 3D tlači začalo vo veľkom diskutovať až v posledných rokoch, v skutočnosti existuje už pomerne dlho. Ešte v roku 1984 vyvinula spoločnosť Charles Hull 3D tlač, ktorej zdrojom boli binárne dáta a o 2 roky neskôr získala patent na vynález s názvom stereo litografia. V tom istom roku sa inžinierom podarilo vyrobiť prvé priemyselné 3D tlačové zariadenie na svete. O niečo neskôr sa spoločnosť 3D Systems chopila vývoja sľubnej oblasti už v roku 1988, vytvorila si doma vzorovú tlačiareň pre 3D tlač, konkrétne SLA - 250.

Značka Scott Grump bola v krátkom čase schopná implementovať modelovanie fúzovaného depozície. Po niekoľkých rokoch ticha spoločnosť Helisys v roku 1991 vynachádza a predstavuje širokej verejnosti najnovšiu techniku ​​viacvrstvovej tlače a o rok neskôr, v roku 1992, uzrie svetlo sveta v DTM jeden z prvých systémov selektívneho laserového zvárania. Potom v roku 1993 vznikla organizácia Solidscape, ktorá sa zaoberala sériovou výrobou atramentových tlačiarní, ktoré majú schopnosť vytvárať rôzne objekty s takmer ideálnym povrchom a zároveň majú relatívne nízke náklady. V tom istom čase Massachusetts Institute ukázal svoju technológiu 3D tlače, trochu podobnú tej, ktorá sa používa v štandardných atramentových tlačových zariadeniach. Najväčší vrchol vo vývoji 3D tlače však spadá do 21. storočia.

V roku 2005 bola vydaná 3D tlačiareň, ktorá nielen vytvárala diely, ale ich aj farbila. Produkt Z Corp dostal názov Spectrum Z510 a takmer o pár rokov neskôr sa objavila tlačiareň, ktorá dokázala znovu vytvoriť až 50 % všetkých prvkov, z ktorých bola vyrobená. Dnes sa prostredie na používanie 3D tlače neustále rozširuje, pretože s jej pomocou, ako sa ukazuje, môžete vytvoriť takmer všetko, od vnútorných orgánov živých bytostí až po banálny nábytok. O oblastiach využitia 3D tlačiarní sa ale zmienime nižšie.

3D tlač, ako to funguje

3D tlač je v podstate presnou rekonštrukciou počítačom modelovanej časti pomocou špeciálneho tlačového zariadenia. Digitálny model je spočiatku STL dokument a až potom 3D tlačiareň z takéhoto súboru vytvorí skutočný objekt. Samotný proces tlače je periodicky sa opakujúce nanášanie vrstiev na pracovnú plochu (výťah), s jej postupným pohybom nadol a následným odstraňovaním prebytočnej tlačovej zmesi. Tlačové cykly sa monotónne nahrádzajú a pri každom z nich sa výťah posunie nadol do danej výšky a tak vzniká samotný dielec.

Ako funguje 3D tlačiareň?

Ako sa ukazuje, 3D tlač dokáže dokonale nahradiť prototypovanie dielov v malom meradle. Na rozdiel od bežnej tlačiarne, ktorá dokáže vytvárať iba fotografie, 3D stroj vytvára skutočné objekty. Dnes sú takéto zariadenia schopné pracovať s fotopolymérnymi živicami, plastovými drôtmi rôznych hrúbok, keramickým práškom a kovovou hlinkou.

Čo je 3D tlačiareň?

Toto zariadenie je založené na postupnej rekonštrukcii objektu zo súboru s nanášaním hmoty vrstva po vrstve. V podstate sa zdá, že súčiastka rastie a nakoniec sa po dokončení rastu zmení na hotový výrobok. Medzi výhody 3D tlače patrí jednoduchosť procesu, jeho nízka cena a hlavne vysoká rýchlosť. Napríklad, aby ste vytvorili akúkoľvek zložitú časť ručne, môže to vyžadovať veľa úsilia a času - až mesiace. Okrem toho je pri tradičnej metóde najprv potrebné vytvoriť výkresy a skontrolovať ich. Tým pádom má výrobca vyššie náklady na vývoj a dlhý čas na to.

3D technológia je úplne zbavená vyššie popísaných nevýhod, najmä pri jej používaní sú rôzne problémy a problémy, ktoré môžu nastať, eliminované počas procesu vývoja, a nie počas výroby, ako pri ručnom navrhovaní. Pri počítačovom modelovaní súčiastky ju môže inžinier v prvej fáze otestovať a preskúmať zo všetkých uhlov, a ak sa zistia nedostatky, okamžite ich odstrániť. Preto je prítomnosť chýb v tlačených častiach úplne vylúčená.

Dnes existuje niekoľko rôznych metód 3D tlače a líšia sa práve spôsobom nanášania vrstiev. Povedzme si o tých hlavných. Hlavnými technológiami 3D tlače sú SLS (selektívne laserové prekladanie), NRM (fúzne vrstvenie) a SLA (stereolitografia). Najpopulárnejšou technológiou je vďaka svojej vysokej rýchlosti technológia SLA.

Laserový lúč je nasmerovaný na fotopolymér, čím umožňuje nanesenému materiálu vytvrdnúť. Ako fotopolymér sa používa priesvitná látka, ktorá je schopná deformácie vplyvom atmosférickej vlhkosti. Po vytvrdnutí je možné takýto materiál ľahko lepiť, spracovávať a maľovať. Samotný desktop (výťah) prichádza v nádobe naplnenej fotopolymérom. Po nanesení ďalšej vrstvy cez ňu prejde laserový lúč, ktorý ju stvrdne a pracovný stôl sa posunie nadol.

Ide o takzvané spekanie alebo fúziu kompozícií práškového typu, SLS je jednou z mála techník schopných vyrábať formy na odlievanie plastov aj kovov. Plastové predmety majú vynikajúce mechanické vlastnosti, a preto sa z nich dajú ľahko vytvárať plnohodnotné časti mechanizmu. SLS odoberá materiály, ktoré sú svojimi parametrami blízke hotovým výrobkom, ako je keramika, plast alebo kov.

Samotná tlačiareň je postavená nasledovne: prášok sa nanesie na povrch elevátora a pôsobením lasera sa speká do pevnej vrstvy, ktorá spĺňa potrebné požiadavky.

Technológia DLP je na trhu trojrozmernej tlače prítomná relatívne nedávno. Stereolitografické tlačové zariadenia sú teraz umiestnené ako alternatíva k FDM modelom. Takéto zariadenia využívajú techniky spracovania svetla. Na rozdiel od analógov, kde sa na tlač používajú plastové drôty a vykurovacie telesá, tu sa v spojení s DLP projektorom používajú fotopolymérové ​​živice. Napriek zložitému názvu sa DLP 3D tlačiareň prakticky nelíši od iných sériových náprotivkov. Treba tiež poznamenať, že vývojári z QSQM Technology Corporation už začali vytvárať prvé zariadenia z tejto série.

Treba poznamenať, že techniky SLS/DMLS nie sú jediné, ktoré dokážu tlačiť kovom. Dnes sa na takéto účely využíva aj tavenie elektrónovým lúčom. Ako ukázali testy v laboratóriu, nanášanie vrstiev kovu tavením drôtu je neúčinné, preto bol vyvinutý špeciálny materiál - kovová hlina.

Kovová hlina pôsobí ako atrament pri naváraní elektrónovým lúčom, je vyrobená z kombinácie lepidla, kovových hoblín a vody. Aby sa atrament premenil na pevnú látku, musí sa zahriať na teplotu, pri ktorej sa zmes vody a lepidla odparí a kovové hobliny sa spoja.

Ako funguje 3D tlačiareň EBM?

Presne rovnaká možnosť sa používa pri práci s tlačiarňami SLS, len s tým rozdielom, že modely EBM vytvárajú na tavenie hlineného kovu skôr usporiadané elektrické impulzy než laserový lúč. Tento prístup nám umožňuje dosiahnuť vynikajúcu kvalitu vyrábaných predmetov a vynikajúce detaily. Dnes sú v predaji iba priemyselné zariadenia využívajúce technológiu EBM.

HPM technológia (FDM) HPM

Touto technológiou je možné vyrábať nielen modely, ale aj kompletne hotové diely z rôznych druhov plastov. Medzi jeho výhody patrí možnosť využitia priemyselných surovín, pričom pri iných zariadeniach to nie je možné. Diely vytvorené pomocou technológie HPM (FDM) majú vynikajúcu odolnosť voči akémukoľvek typu nárazu, ako aj vysokú pevnosť.

Tlač pomocou technológie HPM má dobrú hladkosť povrchu, jednoduchú obsluhu a schopnosť pracovať v kancelárii. Predmety vyrobené z termoplastu majú dobrú odolnosť voči zvýšeným teplotám, mechanickému namáhaniu, rôznym chemickým činidlám, ako aj vlhkému a suchému prostrediu.

Rozpustné sprievodné materiály umožňujú vyrábať pomerne zložité viacúrovňové tvary, ako aj dutiny a otvory, ktoré je veľmi ťažké získať bežnými prostriedkami. Tlačiarne HRM vyrábajú diely ukladaním série vrstiev, jednej na druhú, pričom kov sa zahrieva do polotekutého stavu a vytláča sa cez dýzu do špecifických miest naprogramovaných v PC.

Na tlač pomocou techniky NRM sa používajú dva rôzne materiály naraz, hlavný je potrebný na vytvorenie samotného dielu a ďalší je potrebný na podporu. Nite z oboch kovov sú privádzané do hlavy zariadenia, ktorá pohybuje a upravuje kov, čím vytvára vrstvu. Po dokončení ďalšej vrstvy sa plošina spustí a hlava sa preberie na ďalšiu vrstvu. Keď 3D tlačiareň dokončí výrobu dielu, je potrebné oddeliť pomocný kov alebo ho rozpustiť saponátom. Produkt je pripravený na použitie.

Dnes sú veľmi obľúbené nielen automatické HPM zariadenia, ale aj ich manuálne verzie. Takéto zariadenia sú v podstate perá na vytváranie 3D objektov. Takéto perá sa vyrábajú ako automatické tlačiarne, len s tým rozdielom, že človek drží hlavu v ruke a dávkuje materiál, ktorý sa má uložiť.

Prirodzene, rovnako ako technológia, aj samotné zariadenia sa navzájom líšia. Ak máte model typu SLA, potom nebude môcť pracovať pomocou metódy SLS, to znamená, že žiadna z tlačiarní je schopná spracovať diely iba pomocou svojej vlastnej individuálnej technológie.

Aplikácie 3D tlače

3D tlač otvorila nové obzory v odvetviach ako stavebníctvo, medicína, školstvo, odevníctvo, výroba, šperky a dokonca aj v potravinárskom priemysle.

Napríklad v architektúre dokáže 3D tlač vytvárať modely domov, či celých mikroštvrtí, so všetkými ich vlastnosťami. Na takúto prácu sa používa lacná sadrová zmes, vďaka čomu sú náklady na modely veľmi nízke. Najširšia farebná škála 390 000 CMYK odtieňov umožňuje jednoducho realizovať absolútne akýkoľvek, aj ten najneobvyklejší nápad architekta.

3D tlačiareň pre architektúru

Dnes môžeme pokojne predpokladať, že v stavebníctve čoskoro nastane gigantický prelom. Inžinierom z Kalifornie sa podarilo vytvoriť unikátny systém na 3D tlač objektov v životnej veľkosti. Pôsobí ako žeriav, ktorý stavia steny domov. Napríklad na tlač dvojposchodového domu v plnej dĺžke potrebuje tlačiareň iba 20 hodín. Potom budú stavitelia potrebovať iba dokončiť steny. 3D dom sa stáva čoraz obľúbenejším.

Iné aplikácie

Poprední zdravotníci už dnes dokážu pomocou 3D tlačiarne znovu vytvoriť jednotlivé úseky ľudskej kostry, vďaka čomu je oveľa jednoduchšie vykonávať operácie a samotné implantáty sa lepšie zakoreňujú. Tlačiarenské technológie sú veľmi obľúbené aj v zubnom odbore, takto vyrobené implantáty sú kvalitnejšie.

Pomerne nedávno sa vedcom z Nemecka podarilo vytlačiť ľudskú kožu. Surovinou na jeho vytvorenie je gél vyrobený z darcovskej kože. Ešte v roku 2011 mali špecialisti to šťastie, že pomocou 3D tlačiarne vyrobili živú ľudskú obličku.

Ako je z vyššie uvedeného vidieť, možnosti 3D tlačiarní majú obrovský potenciál. Zariadenia, ktoré pripravujú chutné pokrmy, vyrábajú protézy a vnútorné orgány ľudí, hračky a návody na obsluhu, topánky a bundy – to už nie je sci-fi – ale naša súčasnosť. A čo nás čaká v blízkej budúcnosti, na túto otázku vie odpovedať asi len spisovateľ sci-fi s dobrou fantáziou.

Naším cieľom je vlastný FabLab v Petrohrade!
Sledujte novinky!