STRESZCZENIE

Proces ekstruzji w druku 3D przekształca cyfrowy model 3D w gotowy fizyczny element poprzez stopienie termoplastycznego materiału, zazwyczaj filamentu, i warstwowe nanoszenie go przez podgrzane dysze. Ta metoda wytwarzania przyrostowego, znana również jako modelowanie naprzemienne (FDM), obejmuje przygotowanie pliku cyfrowego, konfigurację drukarki, sam proces automatycznego drukowania oraz ostatecznie etap końcowy polegający na obróbce wydruku w celu jego dopracowania.

Zrozumienie procesu ekstruzji materiału

Ekstruzja materiału to podstawowa technologia w świecie druku 3D, ceniona za swoją dostępność i wszechstronność. W uproszczeniu proces ten działa podobnie jak robotyczny pistolet do kleju termoplastycznego. Stały materiał termoplastyczny, zwykle w postaci długiego filamentu nawiniętego na szpulę, jest wprowadzany do nagrzanej głowicy drukarki. Tam topi się do stanu półpłynnego i jest wyciskany przez precyzyjną dyszę. Ruch dyszy kontrolowany jest przez komputer, który rysuje kształt każdej warstwy obiektu na platformie budowy.

Po ukończeniu warstwy platforma budowy opuszcza się nieco, a głowica drukarki zaczyna nakładać kolejną warstwę na poprzednią. Każda warstwa stopiona łączy się z tą poniżej podczas ochładzania i zastygania. Ten proces warstwowego nakładania trwa aż do całkowitego wytworzenia obiektu od dołu do góry. Ta metoda formalnie należy do jednej z siedmiu głównych kategorii wytwarzania przyrostowego i jest powszechnie znana pod zastrzeżoną nazwą Fused Deposition Modeling (FDM), po raz pierwszy komercyjnie wprowadzoną przez firmę Stratasys.

Chociaż ten proces jest najczęściej kojarzony z plastikami takimi jak PLA i ABS w prototypowaniu szybkim i zastosowaniach hobbystycznych, specjalistyczne formy ekstruzji materiałów stosuje się również do innych materiałów, w tym metali. W wymagających dziedzinach, takich jak przemysł motoryzacyjny, wykorzystywany jest inny proces produkcyjny zwany ekstruzją aluminium, służący do wytwarzania wytrzymałych, lekkich komponentów. Firmy takie jak Shaoyi Metal Technology specjalizują się w tej dziedzinie, oferując kompleksowe usługi od prototypowania po produkcję pełnoskalną w ramach rygorystycznych systemów jakości, takich jak IATF 16949.

Podstawowe komponenty systemu ekstruzji drukarki 3D

Aby pomyślnie przekształcić plik cyfrowy w obiekt fizyczny, drukarka 3D z systemem ekstruzji polega na kilku kluczowych komponentach działających zgodnie. Zrozumienie ich ról jest kluczowe dla zrozumienia działania całego systemu. Te elementy kontrolują wszystko, od podawania materiału, przez jego topnienie, aż po precyzyjne umieszczanie go warstwa po warstwie.

Głównym elementem systemu jest wytłaczarka , odpowiedzialny za podawanie filamentu do drukarki. Składa się z „zimnego końca” z silnikiem i przekładnią, która chwyta filament i popycha go do przodu, oraz „gorącego końca”, gdzie następuje jego topnienie. hotend sam hotend zawiera blok grzejny i termistor, które utrzymują precyzyjną temperaturę, zapewniając jednolite topnienie filamentu i gładki przepływ przez dyszę. Jakość hotenda jest kluczowa dla zapobiegania zatkaniom i osiągania wysokiej jakości wydruków.

Następnie węzeł , mały otwór, przez który tworzywo sztuczne w stanie stopionym jest nakładane. Średnica dyszy jest parametrem krytycznym, ponieważ decyduje o rozdzielczości wydruku. Mniejsza dysza pozwala uzyskać drobniejsze detale, podczas gdy większa umożliwia szybsze drukowanie, lecz z mniejszą dokładnością. filament to materiał wyjściowy. Jest to termoplastyk dostarczany na szpuli, dostępny w różnych odmianach, takich jak PLA (łatwy w druku), ABS (trwały i odporny na ciepło) oraz PETG (równowaga wytrzymałości i łatwości użycia). Wreszcie, platforma robocza to płaska powierzchnia, na której obiekt jest drukowany. W wielu maszynach platforma ta jest ogrzewana, aby poprawić przyleganie pierwszej warstwy i zapobiec wyginaniu się detalu w trakcie ostygania.

Przebieg procesu: od projektu cyfrowego do obiektu fizycznego

Droga od modelu 3D na ekranie do rzeczywistego gotowego elementu przebiega według jasnego i systematycznego procesu. Ten sposób pracy łączy lukę między projektem cyfrowym a rzeczywistością fizyczną dzięki kilku wyraźnym etapom.

1. przygotowanie modelu 3D i tzw. slicing: Proces zaczyna się od modelu cyfrowego 3D, który może zostać utworzony za pomocą oprogramowania CAD lub pobrany z internetowego repozytorium. Ten model, zazwyczaj w formacie pliku STL, jest następnie importowany do specjalistycznego programu zwanego „slicerem”. Oprogramowanie slicera przekształca model 3D na setki lub tysiące cienkich, poziomych warstw i generuje plik z instrukcjami dla maszyny, znanym jako G-code. Kod ten określa każdy ruch drukarki, począwszy od ścieżki dyszy, przez prędkość ekstruzji, aż po temperaturę.
2. Przygotowanie drukarki i załadowanie materiału: Zanim rozpocznie się drukowanie, należy przygotować drukarkę. Obejmuje to załadowanie szpuli filamentu do ekstrudera, sprawdzenie, czy platforma robocza jest czysta i wypoziomowana, oraz wstępne nagrzanie dyszy i stołu roboczego do odpowiednich temperatur dla używanego materiału. Poprawne przygotowanie ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego wydruku, ponieważ problemy takie jak nierówna powierzchnia stołu mogą spowodować niepowodzenie pierwszej warstwy, niszcząc cały wydruk.
3. Trwający proces drukowania: Po załadowaniu kodu G i przygotowaniu drukarki rozpoczyna się proces drukowania. Drukarka starannie wykonuje instrukcje, przesuwając głowicę wytłaczania wzdłuż osi X i Y, aby nakładać stopiony filament. Po ukończeniu każdej warstwy głowica drukująca przesuwa się do góry lub stołek roboczy opuszcza się wzdłuż osi Z, tworząc miejsce na kolejną warstwę. Ten proces addytywny powtarzany jest warstwa po warstwie, aż obiekt zostanie całkowicie uformowany. Etap ten jest w dużej mierze zautomatyzowany i może trwać od kilku minut do wielu godzin, w zależności od rozmiaru i złożoności obiektu.
4. Chłodzenie i usuwanie elementu: Po nałożeniu ostatniej warstwy grzałki drukarki są wyłączane, a obiekt musi ostygnąć. Ważne jest, aby pozwolić części i platformie budowy na stopniowe ochłodzenie, aby zapobiec odkształceniom lub pęknięciom spowodowanym naprężeniami termicznymi. Po ostygnięciu do temperatury pokojowej ukończoną część można ostrożnie zdjąć ze stołu roboczego, często przy użyciu szpachelki lub skrobaka.

Przetwarzanie końcowe: dopracowanie ukończonej części

Powszechnym błędem dotyczącym druku 3D jest przekonanie, że element jest całkowicie ukończony w momencie zdjęcia go z płyty roboczej. W rzeczywistości większość wydruków wymaga pewnej formy obróbki końcowej, aby przekształcić je ze surowego obiektu w wykończoną, funkcjonalną część. Ten ostatni etap jest kluczowy dla osiągnięcia pożądanego wyglądu, wytrzymałości i dokładności wymiarowej. Wykonywane kroki mogą obejmować proste czyszczenie, aż po bardziej złożone techniki wykańczania.

Najbardziej podstawowym krokiem obróbki końcowej jest usunięcie podpór . Dla projektów złożonych z dużymi wspornikami lub mostkami drukarka tworzy tymczasowe struktury podporowe, aby zapobiec zwisaniu stopionego plastiku podczas drukowania. Te podpory należy ostrożnie oddzielić lub odciąć od głównej części. W przypadku drukarek wykorzystujących inny, rozpuszczalny w wodzie materiał do tworzenia podpór, proces ten może być tak prosty jak ich rozpuszczenie w wodzie. Jednak dla standardowych podpór wykonanych z tego samego materiału co część, ich usunięcie może pozostawić drobne niedoskonałości wymagające dalszej obróbki.

Aby poprawić wykończenie powierzchni i usunąć widoczne linie warstw charakterystyczne dla druku FDM, szlifowanie i wygładzanie są powszechnymi technikami. Zaczynając od szlachety o dużej ziarnistości i przechodząc do drobniejszych, można uzyskać gładką, jednolitą powierzchnię. W przypadku niektórych tworzyw sztucznych, takich jak ABS, stosuje się tzw. wypolerowanie parą, które polega na wystawieniu elementu na działanie pary rozpuszczalnika, lekko topiąc warstwę zewnętrzną, aby uzyskać połyskowity wygląd przypominający formowanie wtryskowe. Inne techniki wykańczania addytywnego obejmują malowanie, nanoszenie powłoki epoksydowej w celu zwiększenia wytrzymałości i uszczelnienia elementu lub nawet spawanie wielu wydrukowanych części w celu tworzenia większych zestawów.

Często zadawane pytania

1. Co to jest proces wytłaczania w druku 3D?

Proces ekstruzji w druku 3D polega na przeprowadzeniu materiału stałego, zazwyczaj nici plastikowej, przez podgrzane dyszę, aby go stopić. Następnie stopiony materiał jest nakładany w kontrolowanej ścieżce warstwa po warstwie na platformę roboczą. Każda warstwa łączy się z tą znajdującą się pod nią w miarę ostygania, stopniowo tworząc trójwymiarowy obiekt na podstawie modelu cyfrowego.

2. Co zrobić, gdy druk 3D zostanie ukończony?

Gdy druk 3D zostanie ukończony, pierwszym krokiem jest umożliwienie ostygnięcia zarówno wydruku, jak i płyty roboczej drukarki do temperatury pokojowej, aby zapobiec odkształceniom. Po ostygnięciu obiekt można ostrożnie zdjąć z platformy. Po usunięciu często wymagane są czynności końcowe, takie jak usunięcie struktur podporowych, szlifowanie powierzchni w celu wygładzenia śladów warstw lub pomalowanie ze względów estetycznych.

3. Czy druk 3D uważa się za ekstruzję?

Nie wszystkie drukowanie 3D to ekstruzja, ale ekstruzja materiału jest jednym z najpopularniejszych rodzajów technologii drukowania 3D. Termin drukowanie 3D, czyli wytwarzanie przyrostowe, obejmuje kilka różnych procesów. Ekstruzja materiału, powszechnie znana jako Fused Deposition Modeling (FDM), to konkretna kategoria w ramach drukowania 3D, w której materiał jest wypychany przez dyszę w celu wytworzenia elementu.