3D nyomtatás

3D nyomtatás: additív prototípus gyártási eljárások, technológia és gyakorlati alkalmazás
Tanulmány a Pécsi Tudományegyetem Pollack Mihály Műszaki és Informatikai karának belsőépítész környezettervező mesterszakára

1.  Bevezetés

A 3D nyomtatás fogalma csak néhány éve került be a köztudatba, így talán meglepő, de valójában a fogalom egyidős a PC-vel.
Az első IBM PC-XT 1984-ben készült és ugyanekkor fejlesztette ki Charles Hull a 3 dimenziós fizikai tárgyak digitális adatokból való kinyomtatásának technológiáját.
Természetesen maga a számítógép ekkor már néhány évtizedes fejlődésen ment keresztül, viszont innentől számíthatjuk a személyi számítógép széleskörű elterjedésének kezdetét, így mégis érdekes ez az időbeli egybeesés.

A Pollack saját készítésű 3D nyomtatója (Kozák Barnabás)

Az, hogy ez a 30 éves technológia hirtelen egyre többeket kezd érdekelni és a szakembereken kívül egyre inkább a laikusok is megismerkednek a fogalommal, leginkább annak köszönhető, hogy megjelentek az első, átlagember számára is elérhető 3D nyomtatók.
Egyes előrejelzések szerint a 3D nyomtatás elérhetővé válása a következő években ugyanolyan forradalmi hatással lehet a mindennapjainkra, mint a PC megjelenése 1984-ben.
De hogyan jutottunk el idáig?

2.  3D nyomtatás rövid technológiatörténete

3D-nyomtatók története 1955-re nyúlik vissza, amikor is két amerikai doktorandusz, Jim Brendt és Tim Anderson, átalakított úgy egy tintasugaras nyomtatót, hogy az nem tintát fecskendezett, hanem rétegeket olvasztott egymásra kézzel fogható tárgyakat létrehozva.

3D nyomtatásról azonban a 80-as évektől beszélhetünk.
A rétegek egymásra nyomtatására többféle technológiát dolgoztak ki az évek folyamán.
Az első és talán legismertebb, a sztereolitográfia (SLA), amely több emberhez is köthető. F. Housholder, 1979-ben szabadalmaztatta eljárását, de a gyakorlatban nem alkalmazták.
Dr. Carl Deckard, az austini Texasi Egyetem professzora, a DARPA támogatásával állított össze egy SLA gépet.
Végül azonban Chuck Hull-t tekintjük az SLA atyjának, aki először egy detroiti kiállításon mutatta be az SLA-ban rejlő lehetőségeket. A nyomtató fejéből folyadék halmazállapotú anyag préselődik ki, amelyből rétegenként készül el a térbeli, kézzel fogható tárgy és attól SLA, hogy az anyag UV-fény hatására szilárdul meg, majd összeragad.

Kronológiai sorrend

• 1986 – Charles Hull technológiáját stereolitography néven szabadalmaztatja.
• 1986 – Charles Hull létrehozza a 3D Systems céget és kifejleszti ez első kereskedelmi 3D nyomtatót, amelyet Stereolitography Apparatus néven hoz forgalomba.
• 1988 – 3D Systems kifejleszti az SLA-250-t, amely az első nagy nyilvánosságnak szánt modell.
• 1988 – Scott Crump kifejleszti a Fused Deposition Modelling (FDM) eljárást.
• 1989 – Scott Crump megalapítja a Stratasyst.
• 1991 – A Helisys értékesíti az első Laminated object manufacturing (LOM) rendszert.
• 1992 – A Stratasys értékesíti az első FDM – alapú gépet, a 3D Modelert-t.
• 1992 – A DTM értékesíti az első Selective Laser Sintering (SLS) rendszert.
• 1993 – Létrehozzák a Solidscape céget, hogy tintasugaras rendszerű nyomtatót gyártsanak, amely képes kiváló felületi minőségű apró alkatrészek gyártására viszonylag alacsony áron.
• 1993 – A Massachusetts Institute of Technology (MIT) szabadalmaztatja a “3 Dimensional Printing techniques” eljárást, amely hasonló elven működik, mint a 2D tintasugaras nyomtatás.
• 1995 – Z Corporation kizárólagos jogot szerez az MIT technológia alkalmazására és elkezdi a 3DP technológiájú nyomtató fejlesztését.
• 1996 – A Stratasys bemutatja a “Genesys”-t.
• 1996 – A Z Corporation bemutatja a “Z402”-t.
• 1996 – A 3D Systems bemutatja az “Actua 2100”-t. Ez az első eszköz, amelyet gyors prototípus készítő gépnek neveznek.
• 2000 – Működő máj nyomtatása.
• 2005 – A Z Corporation bemutatja a világ első nagy felbontású színes 3D nyomtatóját.
• 2005 – Az első open-source kezdeményezés.
• 2008 – Az első önmagát kinyomtató (self-replicating) nyomtató.
• 2008 – Áttörés a protéziskészítésben.
• 2009 – Az első csináld magad 3D nyomtatókészlet.
• 2009 – Az első 3D nyomtatott ér.
• 2011 – Az első 3D nyomtatott auto.
• 2012 – Az első beültetett 3D nyomtatott állkapocs.
• 2013 – Foster & Partners holdbázisának terve holdkőzetből nyomtatva.

3.  Különböző 3D nyomtatási technológiák

Ebből a nagyon rövid időrendi összefoglalásból is látszik, hogy nagyon korán, hat év alatt kialakult néhány – meglehetősen különböző – technológia, amelyek (és az azokat kifejlesztő cégek) a mai napig meghatározzák a 3D nyomtatás piacát.

Amiben a különböző módszerek megegyeznek, az a rétegenkénti felépítés.
Ez az úgynevezett additív prototípus gyártási eljárás, mely az egyes tárgyakat, alkatrészeket a modellanyag rétegenkénti hozzáadásával építi fel.
Ebben gyökeresen eltér az olyan, hagyományos – szubtraktív – prototípus gyártási eljárásoktól, mint a szobrászat, esztergálás, marás, stb. – amelyek során a végleges befoglaló méretnek megfelelő munkadarab felesleges részeinek eltávolításával alakítják ki a próbadarabot.

A Pollackon készült kísérleti mókus

Minden 3D nyomtató azon az elven működik, hogy az elkészítendő tárgy modelljét számítógépes tervező programban (CAD) 3D-ben megtervezik.
Aztán ezt a nyomtató technológiája által megengedett felbontásnak megfelelő vékonyságú szeletekre, metszetekre bontják.
Majd ezeket a hajszálvékony rétegeket (több száz, de akár több ezer metszet is lehet) nyomtatják ki a speciális (CAM) alkalmazás segítségével.
Lényegében tehát az eljárások azon alapulnak, hogy a 3D nyomtatást visszavezetik 2D nyomtatásra, de az egyes rétegeket nem egy papírlapra, hanem egymás fölé nyomtatják.
Végül ezek a rétegek összeragadnak, összeolvadnak, így hozva létre rétegenként a 3 dimenziós tárgyat.

Teáskanna printelése a Pollack gépén

Ez elméletileg nagyon egyszerűen hangzik, de a gyakorlatban nagyon sok technikai problémát kell megoldani, hogy a valóságban is működjön.
Az alapanyag, a szilárdulás, a merevség, az alátámasztás nélküli, “levegőben álló” részek, méret, pontosság, felbontás, színek és így tovább.
Az ezekre a problémákra, kihívásokra adott különböző megoldások mentén alakultak ki az egyes technológiák, melyek közül a négy legelterjedtebb az SLA, FDM, SLS és a Polyjet.

Stereolitography Apparatus (SLA)

Az első, mégis talán legfontosabb eljárás, az SLA, amelynek a közeljövőben egyre nagyobb jelentősége lesz.
Az SLA a sztereolitográfia elnevezés rövidítéséből ered.
A technológiát 1986-ban szabadalmaztatta a mai 3D Systems cégóriás alapítója, Charles Hull, aki a fényérzékeny anyaggal, rétegről rétegre történő eljárás kidolgozásával gyakorlatilag megteremtette a mai fotopolimeres 3D nyomtatók alapjait.
Az SLA eljárás lényege, hogy a térbeli modelleket fényre keményedő műgyanta alapanyagból állítja elő, rétegről rétegre.
A folyamat során a fotopolimer (UV fényre keményedő műgyanta) rétegenként megszilárdul a levilágítás helyén, majd az egymásra épülő rétegek végül egy egészet alkotnak.
Az elkészült darabokat gyakran UV fény alatt még utókezelni kell, hogy végleges szilárdságukat elérjék.

Az SLA típusai

Alapvetően két típusát lehet megkülönböztetni a sztereolitográfiás 3D nyomtatásnak a fényforrástól függően, az SLA és DLP technológiát.
Az SLA gépek többnyire kék lézerfénnyel megrajzolják az egyes rétegeket a fényérzékeny anyagba.
A DLP 3D nyomtatók esetében a rétegek egészben, projektor lámpával vannak levilágítva.
A lézeres eljárás elvileg olcsóbb, hiszen nagy fényerejű projektor helyett, elég egy kis teljesítményű lézerdióda.
Míg azonban a projektor fix, addig az a lézert precízen pozicionálni kell tudni, és éppen ez a pozicionálási megoldás, ami megdrágítja a technológiát.
Az egészen pontos alkalmazások már drágábbak lehetnek a DLP megoldásnál.

A DLP eljárást az amerikai Texas Instruments cég fejlesztette ki, a szegmens vezető 3D nyomtató gyártó (Envisiontec) modelljeibe a mai napig TI fényforrásokat építenek be.
A fényérzékeny anyag a kibocsátott megfelelő hullámhosszú fény hatására megkeményedik.
Az eljárással sokkal vékonyabb rétegekkel dolgozhatunk, mint az FDM vagy SLS technológiás 3D nyomtatókkal, melyeknek a maximális felbontása 50-100 mikron körül van.

Az SLA és DLP technológia érdekessége, hogy amint a képeken is jól látható, „fejjel lefelé” nyomtat, tehát a tárgyasztal alulról felfelé mozog, és a kinyomtatott tárgy is fejjel lefelé készül el.
Ez a megoldás az anyagtakarékosságot szolgálja, mivel így kevésbé mély tartályt kell feltölteni a fényérzékeny anyaggal.
Ez azért nem mindegy, mert az anyag elég gyorsan elveszíti a szavatosságát, és meglehetősen drága.
Normál állásban a teljes tárgynak, fejjel együtt kellene elmerülni a tartályban.

Polyjet/Objet technológia

A Polyjet technológia szintén a fotopolimerek felhasználására épül, és tökéletesen alkalmas prototípus gyártásra.
Az eljárás során egy nyomtató fej folyékony fotópolimert injektál a tárgylemezre rétegről rétegre, és utána levilágítja azt UV fénnyel, majd jön a következő réteg.
A videóban egy több alkatrészből álló, guruló autómodellt nyomtatnak ki egy menetben!
Itt a nyomtatás már normál irányban történik, ezért is van szükség a munkadarab megtámasztására.
A polyjet technológiánál egyszerre több fúvókán keresztül juttatják az anyagot a célterületre.

A fotopolimeres 3D nyomtató készülékekkel akár 5-25 mikronos rétegvastagság is elérhető, ezért olyan területeken alkalmazzák, ahol ez a pontosság szükséges: fogorvosi, ékszerészeti célokra.
Ezeknél az alkalmazásoknál az sem okoz gondot, hogy a technológia miatt a 10 x 10 x 10 cm-es munkaterület már nagynak számít, cserébe az elkészült modellek teljesen pontosak és tökéletesen sima felülettel rendelkezzenek.
A készülékek előnye, hogy a készülő tárgyak a technológiának köszönhetően nem igényelnek külön megtámasztást, a fel nem használt alapanyag biztosítja a támaszt, majd a nyomtatás végén újra felhasználható.

A leggyakrabban használt gépek az Envisiontec Perfactory és a Solidscape gépei, amelyek képesek viaszból, illetve biokompatibilis anyagokkal is dolgozni.
Így akár fogászati fúrósablonok, éjszakai fogszabályzók vagy akár ideiglenes fogpótlások is készülhetnek 3D nyomtatással.

A polyjet előnyei és hátrányai

A fotopolimeres 3D nyomtatás legnagyobb előnye a nagy felbontás mellett az, hogy speciális anyagokkal salak és korom nélkül alacsony hőfokon kiégethető modellek készíthetők, amelyek viaszveszejtéses eljáráshoz mesterdarabként szolgálhatnak.
A 3D nyomtatással készült mesterdarabot vízüvegből kiöntik, a formát kemencében kiégetik, majd a kiürült negatív formát kiöntik nemesfémmel.
A digitális fogászat és a 3D-s ékszertervezés már évek óta használja ezeket a gépeket a gyakorlatban.

Az fotopolimer eljárás hátránya, hogy a nyomtatott 3D tárgyak ridegek, törékenyek, és mivel az elkészült darabokat vegyszeres oldattal kell lemosni.
A technológia otthoni használatra kevésbé alkalmas, mint az FDM.

Fused Deposition Modelling (FDM)

Manapság a legelterjedtebb 3D nyomtatási technológia a műanyag szálolvasztásos FDM rendszer.
Ennek két fő oka van, mindkettő anyagi jellegű.
Egyrészt a 3D nyomtatás árát erősen meghatározza az alapanyag és a felhasznált energia költsége, másrészt maguk a készülékek is igen sokba kerülhetnek.
Az FDM mindkét szempontból a legolcsóbb megoldást kínálja és léteznek külön termékvonalak a különböző célcsoportok számára.

Ipari felhasználásra a Dimension uPrint sorozata, illetve a Stratasys Mojo a legelterjedtebbek, mindkettő ABS műanyaggal dolgozik.
Ezek az ipari célcsoport miatt meglehetősen drága gépek.

Komolyabb, de nem ipari felhasználásra alkalmasak az open-source gépek, például a RepRap rendszer.
Ezek az open-source 3D nyomtatók már 1 millió Ft alatt elérhetők és képesek ABS, illetve környezetbarát, biológiailag lebomló PLA műanyaggal is dolgozni.
A Cube, Up!, MakerBot, RepRap, Rostock, Felix, Mendel, Printrbot, Solidoodle és Leapfrog gépek is néhány ezer euróért megvásárolhatók.

A legolcsóbb megoldások az otthon összeszerelhető 3D nyomtató-kitek.
Ilyenek már pár száz dollárért is kaphatók.

Az open-source gépek azonban nem csak olcsóbbak, de olcsóbban is üzemeltethetők, ugyanis a 3D nyomtatók piacán is érvényes, hogy a nagy gyártók csak saját chippel ellátott kazettás anyagot engednek használni a gépeikben, sokszoros áron, míg az open-source nyomtatókhoz olcsón kapható alapanyag.

Az FMD gépek működési elve

Az FDM (Fused Deposition Modeling) technológiát használó gépek közös jellemzője, hogy az alapanyag tekercseken, 3 mm vagy 1,73 mm átmérőjű szál formában áll rendelkezésre.
Ezt a szálat húzza be egy léptető motor az extrudáló fejbe, ahol 200 Celsius körüli hőmérsékleten megolvasztja és kipréseli a néhány tized milliméteres fejen.
Ez az olvadék amint kijut a szerszámból, lehűl, a vízszintes rétegek így ragadnak egymáshoz.
ABS-szel történő 3D nyomtatás esetén a 3D nyomtató munkaterületének a 3D nyomtatás ideje alatt temperáltnak kell lennie, mert az ABS nagyon érzékeny a hőtágulásra.
A PLA (politejsav) sokkal flexibilisebb, nem igényel temperált környezet, ráadásul egy biológiailag teljesen lebomló anyagról van szó, amely komposztálható.
A két fő alapanyag mellett léteznek egészen egzotikus megoldások is, a kőportól, a fűrészporig, de folyamatosan kísérleteznek újabb és újabb anyagokkal.

Az FDM technológia hátránya, hogy a készülő darabot meg kell támasztani.
Ehhez a job nyomtatók egy második fejet használnak, amivel vízben oldható anyaggal nyomtatják ki a támaszt, így az elkészült modellt vízbe áztatva a támasz kioldódik.

Alapanyagok

Selective Laser Sintering (SLS)

A leggyakrabban használt 3D nyomtatók tehát az FDM műanyag olvasztásos eljárást alkalmazzák, amelynek azonban az ipari felhasználás szempontjából komoly hátránya van, ami pontosan a technológiából fakad.
A modellek viszonylag alacsony olvasdáspontú anyagból készülnek, így nagyobb hőterhelés hatására deformálódnak, megfolynak, elolvadnak.
A nyomtatófejek kb. 260 fokig tudnak melegíteni, ennél magasabb olvadáspontú anyaggal nem lehet FDM technológiában nyomtatni, így például fémek nem jöhetnek szóba.

Az SLS eljárás (Selective Laser Sintering) lényege, hogy a 3D nyomtató munkafelületén a kívánt rétegvastagságban – ami akár 10 mikron is lehet – a készülék elteríti a finom por állagú alapanyagot, amelyet aztán lézersugárral megolvasztanak, majd megszilárdítanak.
Ez különösen nagy pontosságot tesz lehetővé, hiszen a lézer jóval pontosabban irányítható, mint egy nyomtatófej.

Az eljárás másik nagy előnye, hogy a szomszédos részecskék nagy hőmérsékleten történő összeolvasztásának köszönhetően a fröccsöntött darabokhoz hasonló mechanikai tulajdonságokat lehet elérni az így készített prototípusoknál.
Az ipari termék- és formatervezés számára ezek a 3D nyomtatók felelnek meg leginkább, de nagyon drágák.

SLS gépeket gyártó cégek

Jellemzően erre szakosodott szolgáltató cégek üzemeltetnek ilyen gépeket, mint a Shapeways, Ponoko vagy az iMaterialise, amelyek ipari szinten, napi több száz darab megrendelt 3D modellt készítenek el, bérnyomtatás keretében.
A gépek egyébként méretileg is elég nagyok, és komoly hőt termelnek, így otthoni, irodai használatra amúgy sem alkalmasak.

Az SLS 3D nyomtatók piacvezető gyártója a német EOS, amelynek EOSint készülékei a lézertechnológiának köszönhetően már fémmel is képesek nyomtatni.
Rozsdamentes acéllal, alumíniummal vagy akár titániummal történő nagyfelbontású 3D nyomtatás esetén pedig a korábbi, szubtraktív elven működő gyártási eljárásokkal szemben gyorsabb és gazdaságosabb gyártást tesz lehetővé a lézer szinterezéses módszer.

Hasonlóan az FDM nyomtatókhoz, itt is komoly áresés várható, mivel 2014. végén lejárnak a vonatkozó szabadalmak.

Polírozás

Mivel a nyomtatott tárgyak rétegekből épülnek fel, így felületük legtöbbször nem sima, hanem lépcsőzetes.
Ennek kiküszöbölésére léteznek már különféle gépi és egyéb technikák.
Egy házilagos megoldásról ITT látható egy videó.

4.  A 3D nyomtatás gyakorlati alkalmazásai

3D nyomtató segítségével valós, kézzelfogható tárgyakat vagyunk képesek alkotni térbeli digitális modellekből.
A leggyakoribb alkalmazásterülete a rapid prototípuskészítés.
Legelsőként a fejlesztőmérnökök ismerték fel a technológiában rejlő lehetőségeket, hiszen egy új alkatrész, próbadarab töredék idő alatt, töredék költséggel készülhet el, mint a korábbi módszerekkel, amikor esetleg külön szerszámokat kellett gyártani, öntvényeket készíteni, csiszolni, esztergálni, fúrni.
Jelenleg ezeken a területeken alkalmazható a legnagyobb hatékonysággal a 3D nyomtatás nyújtotta gyors és pontos prototípusgyártás lehetősége.
A fejlett ipari országokban már szinte kizárólag 3D nyomtatással készülnek a mesterdarabok, illetve a prototípusok.

A technológia és a használható alapanyagok fejlődésével az orvosi terület lett a következő komoly piac.
Ma már a legkülönbözőbb protézisek, pótlások, akár műerek készülnek 3D nyomtatással, tökéletesen a páciensre szabva.
Sőt, az emberi szövetekhez hasonló, rugalmas anyagból már koponyadarabot, májat és légcsövet is hoztak létre, amiket beültetve, életeket mentettek.

Az árak csökkenésével nagyon komoly szerepet kaphat a rapid prototípus gyártás a piackutatásban, marketingben is.

• Egy dizájner viszonylag olcsón legyárthatja az ötletét kézzelfogható modellként, így a terve prezentációjánál nem kell látványtervekre hagyatkoznia. Sok ember egy tárgyat megtapogatva jobban érzi annak lényegét, így akár el is döntheti a termék sikerét egy 3D prototípus.
• Akár arra is lehetőség van, hogy hónapokkal a gyártó szerszámok elkészülte előtt, egy kiállításon már megjelenhet az új termék prototípusa.
• A fejlesztés során már egy jóval korábbi fázisban kipróbálható, hogy egy alkatrész, egy dizájnelem mennyire illik tervezett környezetébe.
• A vásárlókkal a fejlesztés korai szakaszában lehet kiscsoportos teszteket csinálni egy új termék elfogadottságáról.
• Szintén a technológia és az alapanyagok fejlődése, valamint az árak csökkenése teremti meg a lehetőséget a kis szériás termékek gyártásához. Itt gondolhatunk akár dizájner termékekre, vagy olyan darabokra, amelyek csak egy-egy paraméterben változnak, s csak néhány darabra van szükség mindegyikből.
• Manapság legnagyobb mértékben a személygépkocsi-gyártók használják a 3D nyomtatás nyújtotta lehetőségeket, de a fogyasztási cikkek, ipari termékek, a gyógyászat, az oktatás, a repülőgépgyártás, a fegyveripar és a katonaság is jelentős mértékben veszi igénybe világszerte.

Ha majd az otthoni alkalmazás is olcsóbbá és elterjedtebbé válik, akkor képesek lehetünk a gyerekjátékok, vagy akár konyha eszközök eltört alkatrészei helyett saját magunknak újat gyártani.

PÉLDÁK A BELSŐÉPÍTÉSZET ÉS DEKORÁCIÓ TERÜLETÉRŐL

 

ÉPÍTÉSZETI FELHASZNÁLÁS

JÁRMŰVEK ÉS ALKATRÉSZEK

 

PÉLDA CSOKI NYOMTATÁSÁRA

PÉLDÁK A DIVAT TERÜLETÉRŐL

FEGYVEREK

EGYÉB APRÓSÁGOK

Képek forrása a képekre kattintva!

Szöveg forrása: 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11

Tanulmány: Hujber-Nagy Aletta, belsőépítész és környezettervező művész.

Ha tetszett a bejegyzés, csatlakozz a hna design Facebook táborához ITT, hogy minden új cikkünkről és munkánkról értesülhess.

Vagy iratkozz fel hírlevelünkre ITT, illetve ha az online vagy személyes tanácsadás érdekelne, akkor nézz körül ITT.