Wprowadzenie:W przypadku prototypowania i małoseryjnej produkcji niewielkich przedmiotów (około 10–1000 sztuk) drukowane w 3D forma wtryskowazapewniają rozwiązanie oszczędzające czas i opłacalne kosztowo. Oferują również bardziej elastyczne metody produkcji, umożliwiając inżynierom i projektantom testowanie konstrukcji form oraz łatwe wprowadzanie modyfikacji. W tym artykule szczegółowo omówimy wykorzystanie drukarki 3D do formowania wtryskowego niewielkich przedmiotów.
Zrozumieć druk 3D
Czym jest druk 3D?
Druk 3D jest technologią szybkiego prototypowania. Polega na podziale trójwymiarowego modelu cyfrowego utworzonego komputerowo na warstwy w postaci płaskich przekrojów. Warstwy te są następnie drukowane z materiałów proszkowych, ciekłych lub filamentowych, takich jak tworzywa sztuczne, metale, ceramika czy piasek. Technologia nakłada te materiały kompozytowe warstwa po warstwie zgodnie ze wzorami przekrojów, tworząc kompletny obiekt.
Stopione tworzywo sztuczne jest następnie ściskane i przesuwane do przodu pod naciskiem tłoka lub ślimaka, a następnie wtryskiwane do zamkniętej formy z dużą prędkością przez dyszę na przednim końcu cylindra. Gdy tworzywo sztuczne ostygnie i nabierze kształtu w określonym czasie, forma jest otwierana, aby odsłonić produkt końcowy.
Konfiguracja drukarki 3D
Drukarka FDM3D
Drukarki FDM (Fused Deposition Modeling) stanowią najbardziej rozpowszechniony typ drukarek 3D na dzisiejszym rynku. Prawie 60% producentów drukarek 3D koncentruje się głównie na oferowaniu modeli FDM. Drukarki FDM umożliwiają szybkie prototypowanie poprzez osadzanie stopionych materiałów, przy czym głównymi materiałami są ABS i PLA. Jedną z ich kluczowych zalet jest opłacalność.
Drukarki FDM mają jednak wady, takie jak niższa precyzja, wolniejsze prędkości drukowania i szorstkie wykończenie powierzchni drukowanych produktów. Pomimo wahań w ostatnich latach, technologia druku 3D zakorzeniona w FDM przekroczyła początkową fazę wzrostu.
Drukarki stacjonarne 3D odeszły od sprzętu open-source i osobistej szorstkości, obejmując znaczny postęp w zakresie komercyjnych i inteligentnych możliwości. Co więcej, profesjonalny sprzęt kładzie teraz nacisk na projektowanie zorientowane na człowieka i łatwość obsługi, dostosowując się bardziej do praktycznych scenariuszy zastosowań.
Drukarka SLA3D
W porównaniu do drukarek FDM, drukarki 3D SLA oferują doskonałą dokładność druku, dając modele o drobniejszych konturach. Wysokie koszty sprzętu przekładają się jednak na wysoką ogólną cenę urządzenia. Co więcej, złożoność oprogramowania do cięcia i procedur operacyjnych stanowi wyzwanie dla wielu użytkowników. Czynniki te ograniczają zarówno podaż, jak i popyt.
Obecny trend rozwojowy faworyzuje stacjonarne światłoutwardzalne drukarki 3D, napędzane przez stacjonarny sprzęt do druku 3D FDM. Jednak kwestie takie jak niska prędkość drukowania, ograniczone ilości wydruków i skomplikowana obsługa płynnych światłoczułych materiałów żywicznych doprowadziły do powszechnego odrzucenia tej technologii.
Drukarka SLS3D
Drukarki 3D SLS są wykorzystywane głównie w produkcji przemysłowej i wojskowej. Rozwój technologii druku 3D SLS jest konsekwentnie napędzany przez zapotrzebowanie na różnorodne materiały do tworzenia funkcjonalnych części. Podstawowym materiałem wykorzystywanym w tych drukarkach 3D jest materiał proszkowy, który jest konsolidowany poprzez selektywne spiekanie laserowe.
Drukarka DLP3D
Technologia druku 3D DLP jest szybsza niż porównywalna technologia SLA, ponieważ każda warstwa jest utwardzana jako cała płaszczyzna. Technologia DLP wykorzystuje głównie projekcję DLP do skupienia całej powierzchni światła na powierzchni materiału do druku 3D.
Drukarki DLP 3D mają dobrą wydajność w druku w wysokiej rozdzielczości, zwykle z małym kolorowym ekranem dotykowym, wyposażonym w wiele języków, przejrzysty interfejs wyświetlacza i obsługują kabel USB, Wi-Fi, przewodowe połączenie sieciowe itp. Są łatwe w zarządzaniu.
Projektowanie form dla małych przedmiotów
Co głównie obejmuje proces projektowania form?
a. Zaakceptuj list z przydziałem.
b. Analiza rysunków: Przeanalizuj wymagania techniczne produktu, kluczowe wymiary kontrolne i wymagania dotyczące tolerancji.
c. Wstępne potwierdzenie planu formy: Potwierdzenie struktury formy, specyfikacji formy i liczby wnęk.
d. Przeprowadzenie analizy kosztów formowania i przedstawienie oferty.
e. Określ główną strukturę formy.
f. Utwórz schemat formy.
g. Przeglądanie, wydawanie i archiwizowanie rysunków form.
h. Opracowanie procedur przetwarzania form.
i. Przygotowanie dokumentacji procesu (rysunki procesu, karty procesu) dla każdego kroku.
j. Przeglądanie, wydawanie i archiwizowanie dokumentów procesowych.
Wybór materiału do formowania wtryskowego na drukarce 3D
Światłoutwardzalny materiał SLA do szybkiego prototypowania z światłoczułej żywicy do druku 3D w kolorze mlecznobiałym charakteryzuje się przyjemną teksturą i odpowiednią wytrzymałością, aczkolwiek stosunkowo niską ciągliwością. Małe i cienkie części mogą być podatne na kruche pęknięcia, ale oferują łatwość polerowania, możliwość galwanizacji oraz wszechstronne opcje malowania i barwienia.
Światłoczuła żywica składa się z dwóch kluczowych składników: fotoinicjatora i żywicy (składającej się z prepolimeru, rozcieńczalnika i niewielkiej ilości dodatków). Dozowanie fotoinicjatora i rozcieńczalnika znacząco wpływa na szybkość utwardzania i jakość żywicy. Optymalne proporcje fotoinicjatora i rozcieńczalnika nie tylko zwiększają szybkość utwardzania, ale także poprawiają jakość utwardzania. Dlatego też wybór renomowanego producenta specjalizującego się w dojrzałych i stabilnych materiałach do druku 3D z żywic światłoczułych ma kluczowe znaczenie.
Jeśli chodzi o wydajność materiałów do druku 3D z żywic światłoczułych, dostępne są importowane opcje, które charakteryzują się wysoką wytrzymałością, przezroczystością, odpornością na wysokie temperatury, a także właściwościami wilgoci i wodoodporności.
Co więcej, kompozytowe ceramiczne materiały do druku 3D, takie jak tlenek glinu (AI2O3), tlenek cyrkonu (ZRO2), hydroksyapatyt (HAP) i fosforan trójwapniowy oferują połysk podobny do porcelany. Materiały te, składające się z proszku ceramicznego o wysokiej rozdzielczości i światłoczułej żywicy, stanowią alternatywny wybór dla entuzjastów druku 3D.
Termoplastyczne materiały do druku 3D w technologii FDM (Fused Deposition Modeling)
Dla porównania, ślady warstwy druku powierzchniowego są stosunkowo bardziej zauważalne i szorstkie. Niemniej jednak, właściwości materiału, takie jak dobra wytrzymałość, elastyczność, wysoka odporność na uderzenia, wysoka odporność na rozpuszczalniki i stabilna trwałość, sprawiają, że jest on idealny do precyzyjnych testów funkcjonalnych, form i produktów końcowych. Materiały do druku 3D wykorzystywane w tej technologii obejmują materiały klasy przemysłowej i materiały eksploatacyjne do stacjonarnych drukarek 3D.
Selektywne spiekanie laserowe SLS Materiały do druku 3D w proszku
Materiały nylonowe serii PA do druku 3D: odporne na zużycie, o wysokiej wytrzymałości i sztywności, dobrej odporności chemicznej, doskonałej długoterminowej stabilności, wysokiej selektywności i rozdzielczości detali, biokompatybilne, zgodne z EN ISO 10993-1 i USP oraz z dyrektywą UE dotyczącą tworzyw sztucznych dopuszczonych do kontaktu z żywnością. Typowe zastosowania tego materiału to w pełni funkcjonalne części z tworzyw sztucznych najwyższej jakości. Powierzchnia jest jednak stosunkowo szorstka.
Yansir oferuje nylonowy materiał z włókna szklanego PA3200GF do form do głębokiego tłoczenia lub wszelkich zastosowań wymagających określonej sztywności, wysokiej temperatury ugięcia pod wpływem ciepła i niskiego zużycia. Ponadto oferujemy materiały nylonowe wypełnione aluminium, powszechnie stosowane w częściach o wyglądzie metalu, obciążonych termicznie. W przypadku spiekania laserowego LS na poziomie pulpitu oferujemy również nylonowy materiał proszkowy PA12 jako alternatywę.
Cyfrowa projekcja obrazu DLP Materiały do druku 3D
Wykorzystując niezależną kontrolę pikseli, nakładanie warstw projekcji maski skutkuje trójwymiarową metodą przetwarzania, która jest zarówno wysokiej jakości, jak i bardzo precyzyjna. Dokładność drukowania jest wyjątkowa, dając delikatną powierzchnię, która nie wymaga polerowania.
Ważne jest jednak, aby w razie potrzeby usuwać, naprawiać i polerować lokalne punkty podparcia. Różne materiały fizyczne są dostępne do wyboru w różnych branżach, a powszechnym zastosowaniem jest drukowanie 3D lalek animowanych z czerwonego wosku.
Obecnie dostępnych jest wiele stacjonarnych drukarek DLP, oferujących elastyczność mieszania kolorowych materiałów do druku 3D zgodnie z potrzebami. Niemniej jednak, dokładność druku w tych urządzeniach wciąż nie dorównuje dokładności drukarek klasy przemysłowej.
Przewodnik krok po kroku po druku 3D
Projektanci używają oprogramowania do modelowania komputerowego do tworzenia trójwymiarowych cyfrowych modeli produktów, które są następnie automatycznie analizowane pod kątem procesu drukowania w oparciu o model. Po zakończeniu analizy użytkownik może po prostu nacisnąć przycisk “drukuj”, a drukarka 3D wyprodukuje obiekt. Podczas gdy zasada działania druku 3D jest podobna do tradycyjnego druku, wykorzystywane surowce różnią się od siebie.
Tradycyjny druk wykorzystuje tusz, podczas gdy druk 3D wymaga materiałów takich jak tworzywa sztuczne, metale itp., które mogą być upłynnione, sproszkowane lub w postaci filamentu. Materiały takie jak ceramika lub piasek mogą być również wykorzystywane w procesach drukowania 3D, umożliwiając rekombinację tych materiałów po wydrukowaniu w celu uzyskania optymalnych właściwości fizycznych i chemicznych.
Projektowanie 3D
Proces projektowania druku 3D rozpoczyna się od wykorzystania oprogramowania do modelowania komputerowego w celu stworzenia modelu, a następnie podzielenia modelu na segmenty warstwa po warstwie lub plasterki, które służą jako przewodnik dla drukarki podczas procesu drukowania. Oprogramowanie do projektowania 3D działa jako podstawowe źródło danych dla druku 3D, generując niezbędne modele dla procesu drukowania.
Powszechnie dostępne oprogramowanie do projektowania 3D to między innymi CAD, ZW3D i CAx. Chociaż istnieje wiele specjalistycznych programów do druku 3D, nadal trwają prace nad bardziej przyjaznymi dla użytkownika, prostymi i praktycznymi rozwiązaniami dostosowanymi specjalnie do druku 3D.
Slicin
Druk 3D, podobnie jak technologia formowania laserowego, wykorzystuje przetwarzanie warstwowe i formowanie nakładkowe do pełnego drukowania brył 3D. Proces drukowania każdej warstwy podzielony jest na dwa etapy. Po pierwsze, drukarka odczytuje informacje o przekroju w pliku i nakłada warstwę specjalnego kleju na wyznaczony obszar. Kropelki kleju są niewielkie i trudne do rozprowadzenia.
Następnie natryskiwana jest jednolita warstwa proszku. W kontakcie z klejem proszek szybko zestala się i przylega, pozostawiając luźne obszary bez kleju. Poprzez naprzemienne nakładanie warstwy kleju i warstwy proszku, model fizyczny jest “drukowany” do kształtu. Po wydrukowaniu luźny proszek można łatwo usunąć za pomocą zmiotki, a pozostały proszek nadaje się do recyklingu.
Kompletny druk
Rozdzielczość drukarek 3D jest generalnie odpowiednia dla większości zastosowań, choć może być mniej precyzyjna na zakrzywionych powierzchniach, co skutkuje postrzępionymi krawędziami na końcowym obrazie. Aby uzyskać wyższą rozdzielczość, jedną ze strategii jest najpierw wydrukowanie obiektów nieco większych przy użyciu istniejących drukarek 3D. Delikatnie polerując powierzchnię, można uzyskać obiekt “wysokiej rozdzielczości” o gładkim wykończeniu.
Rozwiązywanie typowych problemów
W górnej warstwie jest luka
Aby oszczędzać materiały, większość wydruków ma solidne krawędzie zamknięte w pustej strukturze siatki. Na przykład, przy współczynniku wypełnienia 30%, tylko 30% wydruku składa się z litego materiału, a resztę stanowi powietrze. Pomimo tego, że wnętrze jest puste, celem jest utrzymanie iluzji solidnej powierzchni zewnętrznej. Dlatego też oprogramowanie do cięcia oferuje ustawienia do określania grubości górnej i dolnej warstwy. U podstaw tego problemu leżą różne potencjalne przyczyny, wraz z odpowiednimi rozwiązaniami:
a. Problem: Nieodpowiednia grubość górnej warstwy (niewystarczająca liczba warstw).
Rozwiązanie: Zwiększenie grubości górnej warstwy (lub zwiększenie liczby warstw) w oprogramowaniu do cięcia.
b. Problem: Niski współczynnik wypełnienia.
Rozwiązanie: Zwiększenie współczynnika wypełnienia za pomocą oprogramowania do krojenia.
c. Problem: Niewystarczająca objętość wyciskania.
Rozwiązanie: Zwiększenie objętości wyciskania za pomocą oprogramowania do krojenia
Problemy z rozdzielaniem i nacinaniem warstw
Podstawową zasadą drukarek 3D FDM jest wytwarzanie obiektów poprzez drukowanie jednej warstwy na raz i sekwencyjne układanie ich w celu stworzenia ostatecznego obiektu. Wytrzymałość wytworzonego obiektu w dużej mierze zależy od zapewnienia bezpiecznej przyczepności między każdą warstwą. Niewystarczające wiązanie może skutkować oddzieleniem warstw i niedoskonałościami.
Oto kilka potencjalnych przyczyn tego problemu wraz z sugerowanymi rozwiązaniami:
Przyczyna: Nadmierna wysokość warstwy (grubość warstwy)
Rozwiązanie: Dysze typowe dla większości drukarek 3D mają średnicę od 0,3 mm do 0,5 mm. Zaleca się ustawienie wysokości warstwy na mniej niż 20% średnicy dyszy. Stosując się do tych wytycznych, każda nowa warstwa jest nakładana na poprzednią z niewielkim naciskiem, ułatwiając solidne połączenie między warstwami.
Przyczyna problemu: Temperatura drukowania jest zbyt niska.
Sugerowane rozwiązanie: W porównaniu do niższej temperatury druku, wyższa temperatura druku może zapewnić lepsze wiązanie materiałów eksploatacyjnych. Jeśli masz pewność, że nie ma problemów z wysokością warstwy, rozważ dostosowanie temperatury druku. Zalecam zwiększenie jej o 10 stopni i obserwowanie efektu drukowania do momentu osiągnięcia optymalnego ustawienia temperatury.
Problem z gryzieniem nici
Gryzienie filamentu występuje, gdy koło ściskające filament w ekstruderze zaciska się na filamencie, ale nie przesuwa go do przodu. Problem ten objawia się tym, że filament pozostaje nieruchomy, a koło ściskające nadal się obraca, co prowadzi do gromadzenia się plastikowych zanieczyszczeń w pobliżu ekstrudera. Oto potencjalne przyczyny tego problemu wraz z zalecanymi rozwiązaniami:
Przyczyna problemu: Temperatura drukowania jest zbyt niska.
Sugerowane rozwiązanie: Spróbuj zwiększyć temperaturę drukowania o 5-10 stopni.
Przyczyna problemu: Prędkość drukowania jest zbyt duża.
Rozwiązanie: Jeśli sytuacja nie ulegnie poprawie po zwiększeniu temperatury drukowania, zmniejsz prędkość drukowania o 50%.
c.Przyczyna problemu: Dysza jest zatkana. Sugerowane rozwiązania: Jeśli poprzednie dwa rozwiązania nie rozwiążą problemu, jest wysoce prawdopodobne, że dysza jest zatkana.
Wskazówki dotyczące wzmacniania małych przedmiotów formowanych za pomocą drukarek 3D
Redukcja chłodzenia
Chłodzenie odgrywa kluczową rolę w Drukowanie 3D procesu, ponieważ bezpośrednio wpływa na przyczepność warstw po ich zestaleniu. Szybkie chłodzenie może pogorszyć przyczepność, gdyż kolejne warstwy mogą nie połączyć się prawidłowo. Skuteczność chłodzenia zależy od używanego materiału. Na przykład PLA daje najlepsze wyniki przy zastosowaniu wydajnego wentylatora chłodzącego. Dlatego szybkość chłodzenia należy dostosować do konkretnego materiału.
Zaawansowane tryby wypełniania
Aby jeszcze bardziej poprawić wyniki drukowania 3D, należy rozważyć wybór odpowiedniego wzoru wypełnienia. Wzory wypełnienia uzupełniają gęstość wypełnienia, służąc jako wewnętrzna struktura wsparcia dla wydruków 3D. Wzory te nie tylko zwiększają sztywność części, ale także pomagają zapobiegać deformacjom ścian. Aby uzyskać solidny wydruk 3D, wybierz gęsty wzór wypełnienia w zakresie 30-50%.
Studia przypadków i przykłady
Ostatnie postępy w technologii druku 3D zrewolucjonizowały branżę audio, umożliwiając producentom wykorzystanie druku cyfrowego do produkcji niestandardowych urządzeń dousznych do audiologii, ochrony przed hałasem i konsumenckich produktów słuchowych po wyjątkowo niskich kosztach. Z biegiem lat producenci druku 3D zaprezentowali biokompatybilne materiały, które są bezpieczne w kontakcie ze skórą, ułatwiając użytkownikom osiągnięcie własnej produkcji modeli uszu i zatyczek do uszu.
Wykonane na zamówienie słuchawki zapewniają charakterystyczne, zindywidualizowane wrażenia słuchowe, dzięki konstrukcji, która idealnie dopasowuje się do uszu użytkownika. To niestandardowe dopasowanie zapewnia, że słuchawki pozostają bezpiecznie na miejscu, zapobiegając ryzyku wysunięcia się. Dodatkowo zwiększa komfort i izolację dźwięku, zapewniając niezrównane wrażenia dźwiękowe.
Dzięki integracji technologii druku, skanowania mobilnego i uczenia maszynowego, przeszkody związane ze spersonalizowaną produkcją mogą zostać skutecznie rozwiązane. To przełomowe rozwiązanie pozwala klientom bez wysiłku wyprodukować spersonalizowaną iterację zestawu słuchawkowego, znacznie skracając czas produkcji z czterech dni do dwóch. Co więcej, otwiera to możliwość przyspieszonej dostawy tego samego dnia, rewolucjonizując doświadczenia klientów.
W miarę jak technologia druku 3D szybko się rozwijała w ostatnich latach, zaczęły pojawiać się liczne przypadki użycia o dużym wpływie, a godnym uwagi przykładem są organy drukowane w 3D.
Zdolność do łatwego wytwarzania nowych narządów od dawna jest pożądanym celem naukowców specjalizujących się w medycynie regeneracyjnej. Choć wciąż znajduje się w początkowej fazie rozwoju, wykorzystanie przepływów pracy 3D do generowania organoidów odpowiednich do przeszczepów już przynosi obiecujące wyniki.
Liderem tych pionierskich badań jest dr Sam Pashneh-Tala z Uniwersytetu w Sheffield. Dr Pashneh-Tala wykorzystuje w swoich badaniach technologię druku 3D stereolitograficznego (SLA) w skali biurkowej do wytwarzania naczyń krwionośnych o zróżnicowanej geometrii.
Przełom ten może utorować drogę do opracowania przeszczepów naczyniowych dostosowanych do potrzeb pacjenta, usprawnienia procedur chirurgicznych i zapewnienia unikalnej platformy testowej dla nowych naczyniowych urządzeń medycznych w celu skutecznego zwalczania chorób sercowo-naczyniowych - schorzeń, które obecnie charakteryzują się najwyższym wskaźnikiem śmiertelności na świecie.
Postęp w druku 3D wywarł znaczący wpływ na przemysł wytwórczy, przenosząc tę technologię poza sferę teoretycznych możliwości. Ponieważ Drukowanie 3D metody szybko rozwinęły się w ostatnich latach i przeniknęły do różnych sektorów, ujawniając przełomowe możliwości tej technologii.
Od dziedzin nauki i opieki zdrowotnej po sfery produktów konsumenckich, budownictwa i produkcji, ludzie coraz częściej spotykają się z produktami końcowymi wykonanymi za pomocą druku 3D. Trajektoria druku 3D wskazuje na dalsze poszerzanie jego wpływu, umożliwiając bardziej ekonomiczne dostosowywanie części, usprawniając czas realizacji i koszty operacyjne oraz zwiększając funkcjonalność poprzez wspieranie bliższego związku między konsumentami a procesem wytwarzania produktów.
Wnioski
Zasadniczo drukarki 3D mogą ożywić skomplikowane geometrie i wewnętrzne wnęki, które byłyby niemożliwe do stworzenia przy użyciu innych metod, co skutkuje wyszukanymi kształtami, drobnymi detalami i wypolerowanymi powierzchniami.
Co więcej, proces formowania z wykorzystaniem druku 3D charakteryzuje się wysokim poziomem automatyzacji. Technologia ta oferuje wszechstronne i opłacalne podejście do produkcji na małą skalę. Wykorzystując precyzję i zdolność adaptacji druku 3D, producenci mogą szybko testować i ulepszać swoje projekty form, ostatecznie poprawiając jakość produktu i skracając czas wprowadzania go na rynek.
Patrząc w przyszłość, obszary zastosowań technologii druku 3D są gotowe do dalszego rozwoju, dzięki bardziej zróżnicowanej gamie materiałów drukarskich i ulepszonym funkcjom urządzeń drukujących. Oczekuje się, że postęp ten będzie miał głęboki wpływ na tradycyjne metody produkcji i życie ludzkie, zapowiadając nową erę rewolucji produkcyjnej.
Potrzebujesz wyceny projektu formowania wtryskowego?Uzyskaj konkurencyjną wycenę, informacje zwrotne DFM i harmonogram produkcji od zespołu inżynierskiego ZetarMold.
Poproś o bezpłatną wycenę → Zobacz nasz Kompletny przewodnik po formowaniu wtryskowym w celu uzyskania pełnego przeglądu.
