TL;DR

3D-tulostuksen ekstruusioprosessi muuntaa digitaalisen 3D-mallin valmiiksi fyysiseksi osaksi sulattamalla termoplastista materiaalia, yleensä langasta, ja asettamalla sitä kerroksittain kuumennetun suuttimen kautta. Tätä lisäävää valmistusmenetelmää, jota kutsutaan myös sulautetuksi laskeutumismalliksi (FDM), edeltää digitaalisen tiedoston valmistelu, tulostimen asennus, automatisoitu tulostusprosessi sekä lopuksi jälkikäsittely osan viimeistelyä varten.

Materiaalin ekstruusioprosessin ymmärtäminen

Materiaalin ekstruusio on perustavanlaatuinen teknologia 3D-tulostuksen maailmassa, ja sitä arvostetaan sen saatavuudesta ja monikäyttöisyydestä. Prosessi toimii ydinasiassa kuin robottinen kuumaliimapistooli. Kiinteä termoplastinen materiaali, joka on yleensä pitkänä säikeenä kierretty kääreelle, syötetään lämmitettyyn tulostuspäähän. Siellä se sulatetaan puoliliuokseiseen tilaan ja puristetaan – eli ekstrudoidaan – ohuesta suuttimesta. Tietokone ohjaa tämän suuttimen liikkeitä piirtäen kunkin kerroksen muodon rakennusalustalle.

Kun kerros on valmis, rakennusalusta laskeutuu hieman ja tulostuspää alkaa asettaa seuraavaa kerrosta edellisen päälle. Jokainen sulanut kerros kiinteytyy ja yhtyy alla olevaan kerrokseen jäähdyttyään. Tätä kerroskerrokselta tapahtuvaa lisäämistä jatketaan, kunnes koko kappale on rakennettu pohjalta ylöspäin. Tätä menetelmää kutsutaan virallisesti yhdeksi seitsemästä pääluokasta lisäävässä valmistuksessa, ja sitä tunnetaan laajalti tavaramerkillä Fused Deposition Modeling (FDM), jonka Stratasys ensimmäisenä kaupallisti.

Vaikka tätä prosessia yhdistetään yleisimmin nopeaan prototyyppiin ja harrastuskäyttöön käytettäviin muoveihin kuten PLA:han ja ABS:ään, materiaalin ekstruusiota sovelletaan myös erikoistuneissa muodoissa muihin materiaaleihin, mukaan lukien metalleihin. Vaativissa aloissa, kuten autoteollisuudessa, käytetään erilaista valmistusmenetelmää, nimeltään alumiiniekturuso, jolla valmistetaan vahvoja ja kevyitä komponentteja. Yritykset kuten Shaoyi Metal Technology erikoistuvat tähän alueeseen ja tarjoavat kattavia palveluita prototyypistä täysmittakaavaan tuotantoon tiukkojen laatustandardien, kuten IATF 16949, mukaisesti.

3D-tulostuksen ruiskutusjärjestelmän keskeiset komponentit

Jotta digitaalinen tiedosto voidaan onnistuneesti muuttaa fyysiseksi esineeksi, ruiskutus-3D-tulostimen on luotettava useisiin keskeisiin komponentteihin, jotka toimivat yhdessä. Niiden roolien ymmärtäminen on avainasemassa koko järjestelmän toiminnan hallinnassa. Nämä osat hoitavat kaiken materiaalin syöttämisestä sen sulattamiseen ja tarkan sijoittamiseen.

Järjestelmän ydin on suulakepuristin , joka syöttää filamentin tulostimeen. Se koostuu 'kylmäpäästä', jossa on moottori ja hammaspyörämekanismi, joka ottaa kiinni filamentista ja työntää sitä eteenpäin, sekä 'kuumapäästä', jossa sulattaminen tapahtuu. kuumapää itse sisältää lämmityslohkon ja termistorin, jotka ylläpitävät tarkkaa lämpötilaa, varmistaen että filamentti sulaa tasaisesti ja virtaa sulavasti suuttimen läpi. Kuumapään laatu on ratkaisevan tärkeää tulostustukosten estämisessä ja korkealaatuisten tulosteiden saavuttamisessa.

Seuraavaksi suihku , pieni kärki, josta sulanut muovi asetetaan. Suuttimen halkaisija on kriittinen parametri, koska se määrittää tulostuksen tarkkuuden. Pienempi suutin voi tuottaa hienompia yksityiskohtia, kun taas suuremmalla voidaan tulostaa nopeammin, mutta vähemmällä yksityiskohdilla. filament on raaka-aine itse. Se on kuumapudotemuovi, joka toimitetaan kelalla ja tulee eri tyyppeinä, kuten PLA (helposti tulostettava), ABS (kestävä ja lämpövastaava) sekä PETG (tasapaino lujuuden ja käyttöhelpon välillä). tulostusalusta on tasainen pinta, jolle kappale tulostetaan. Monissa laitteissa tätä alustaa lämmitetään parantaakseen ensimmäisen kerroksen tarttumista ja estääkseen osan vääntymisen jäähdyttäessä.

Työnkulku: Digitaalisesta suunnittelusta fyysiseksi esineeksi

Matka ruudulla olevasta 3D-mallista konkreettiseksi valmiiksi osaksi etenee selkeän ja järjestelmällisen työnkulun kautta. Tämä prosessi yhdistää digitaalisen suunnittelun ja fyysisen todellisuuden useiden erillisten vaiheiden kautta.

1. 3D-mallin valmistelu ja viipalointi: Prosessi alkaa 3D-mallin luomisella, joka voidaan tehdä CAD-ohjelmistolla tai ladata verkkosäilöstä. Tämä malli, yleensä STL-tiedostomuodossa, tuodaan erityiseen ohjelmaan, jota kutsutaan 'sliceriksi' (viipaloihde). Slicer-ohjelma muuntaa 3D-mallin satoihin tai tuhansiin ohuisiin vaakasuoriin kerroksiin ja luo koneelle ohjeet sisältävän tiedoston, jota kutsutaan G-koodiksi. Tämä koodi määrittää kaikki tulostimen liikkeet, suuttimen reitistä puristusnopeuteen ja lämpötilaan asti.
2. Tulostimen asennus ja materiaalin lataaminen: Ennen tulostuksen aloittamista tulostin on valmisteltava. Tähän kuuluu filamenttirullan asentaminen ekstruuderille, rakennusalustan tarkistaminen puhtaaksi ja tasaiseksi sekä suuttimen ja alustan esilämmittäminen oikeisiin lämpötiloihin käytettävälle materiaalille. Oikea asennus on ratkaisevan tärkeää onnistuneelle tulostukselle, sillä ongelmat kuten epätasainen alusta voivat aiheuttaa ensimmäisen kerroksen epäonnistumisen ja näin koko tulostuksen hylkäämisen.
3. Tulostusprosessi käynnissä: Kun G-koodi on ladattu ja tulostin on valmisteltu, tulostus alkaa. Tulostin seuraa ohjeita huolellisesti liikuttaen ekstruusiopäätä X- ja Y-akseleilla sulan muovilangan asettamiseksi. Jokaisen kerroksen jälkeen tulostuspää nousee ylös tai rakennusalusta laskeutuu alas Z-akselia pitkin tekemään tilaa seuraavalle kerrokselle. Tätä additiivista prosessia toistetaan rivi riviltä, kunnes kappale on täysin muodostunut. Tämä vaihe on pääosin automatisoitu ja voi kestää minuuteista useisiin tunteihin riippuen kohteen koosta ja monimutkaisuudesta.
4. Jäähdytys ja osan poisto: Kun viimeinen kerros on asetettu, tulostimen lämmittimet sammutetaan ja kappaleen on jäähdyttävä. On tärkeää antaa osan ja rakennusalustan jäähdytyä vähitellen, jotta vältetään halkeamista tai vääntymistä lämpöjännitysten vuoksi. Kun se on jäähtynyt huoneenlämpöiseksi, valmis osa voidaan varovasti irrottaa rakennusalustalta, usein lastan tai raapakseen avulla.

Jälkikäsittely: Valmiin osan viimeistely

Yleinen väärinkäsitys 3D-tulostuksesta on, että osa on täysin valmis heti, kun se irrotetaan tulostusalustalta. Todellisuudessa useimmat tulosteet vaativat jonkinlaista jälkikäsittelyä muuttaakseen ne raakamuodoisesta esineestä hiotuksi ja toimivaksi osaksi. Tämä viimeinen vaihe on ratkaisevan tärkeä halutun ulkonäön, lujuuden ja mittojen tarkkuuden saavuttamiseksi. Mukana olevat vaiheet voivat vaihdella yksinkertaisesta siivouksesta monimutkaisempiin viimeistelymenetelmiin.

Perusjälkikäsittelyn ensimmäinen askel on tukirakenteiden poisto . Monimutkaisten yläpuolten tai siltojen suunnitelmille tulostin rakentaa väliaikaisia tukirakenteita estämään sulan muovin painumisen tulostuksen aikana. Nämä tuet on varovasti rikottava pois tai leikattava pääosasta. Jos tulostin käyttää erillistä, vesiliukoisia materiaaleja tuissa, prosessi voi olla yhtä yksinkertainen kuin niiden liuottaminen veteen. Kuitenkin samasta materiaalista kuin osasta tehtyjen perustukiaineiden poisto voi jättää pieniä virheitä, jotka vaativat lisähuomiota.

Pinnan viimeistelyyn ja FDM-tulostukseen tyypillisten näkyvien kerrosviivojen poistamiseen hiustaminen ja pehmentäminen ovat yleisiä menetelmiä. Karkeasta hiomapaperista aloittaminen ja siirtyminen hitaasti hienommille rakeille voi luoda sileän, yhtenäisen pinnan. Tietyille muoveille, kuten ABS:lle, voidaan käyttää niin sanottua höyryviimeistelyä, jossa osa altistuu liuotinhöyrylle, jolloin ulompi kerros sulaa kevyesti tuottaen kiiltävän, muovimallin kaltaisen ulkonäön. Muita lisävalmistelemismenetelmiä ovat maalaus, epoksi-päällysteen käyttö lujuuden lisäämiseksi ja osan tiivistämiseksi, tai jopa useamman tulostetun osan hitsaaminen yhteen suurempien kokoonpanojen luomiseksi.

Usein kysytyt kysymykset

1. Mikä on puristusmenetelmä 3D-tulostuksessa?

Puristusmenetelmä 3D-tulostuksessa sisältää kiinteän materiaalin, yleensä muovilankaa, vetämisen lämmitetyn suuttimen läpi sulattamiseksi. Tätä sulaa materiaalia sitten asetetaan hallitusti kerroksittain tulostusalustalle tiettyyn kaavaan. Jokainen kerros kiinteytyy alla olevaan kerrokseen jäähdyttäessä, mikä vähitellen muodostaa kolmiulotteisen esineen digitaalisen mallin perusteella.

2. Mitä tehdä, kun 3D-tulostus on valmis?

Kun 3D-tulostus on valmis, ensimmäinen askel on antaa sekä osan että tulostimen tulostusalustan jäähtyä huoneenlämpötilaan vääristymisen estämiseksi. Kun ne ovat jäähtyneet, kohteen voi varovasti irrottaa alustalta. Irrottamisen jälkeen vaaditaan usein jälkikäsittelyä, kuten mahdollisten tukirakenteiden poistaminen, pinnan hionta kerrosviivojen tasoittamiseksi tai maalaus esteettisiä tarkoituksia varten.

3. Onko 3D-tulostus pidettävä puristusmenetelmänä?

Kaikki 3D-tulostus ei perustu puristukseen, mutta materiaalin puristus on yksi yleisimmistä 3D-tulostusteknologioista. Termi 3D-tulostus, tai lisäävä valmistus, kattaa useita eri prosesseja. Materiaalin puristus, jota tunnetaan parhaiten sulautettuna saostumismallinnuksena (FDM), on tarkka kategoria 3D-tulostuksessa, jossa materiaali puristetaan suuttimen läpi osan rakentamiseksi.