3D nyomtatás » Típusok, folyamatok, funkciók és anyagok
A 3D nyomtatók fejlesztése mérföldkő volt a vállalatok számára. Mert a 3D nyomtatással gyorsan és egyszerűen állíthatók elő prototípusok, kis sorozatok vagy pótalkatrészek.
Ez jelentősen leegyszerűsíti és felgyorsítja a vállalatok folyamatait.
A nyomtatók azonban hasznos eszközök magánhasználatra is, ha speciális alkatrészek vagy egyedi cikkek előállításáról van szó.
Elmagyarázzuk Önnek, mely 3D nyomtatók érhetők el a piacokon, hogyan működnek, és milyen különbségeket érdemes figyelembe venni.
Ezenkívül fontos információkat adunk a témával kapcsolatban, és érdekes gyakorlati ötletekkel is szolgálunk.
Conrad online 3D nyomtatási szolgáltatás
Ha nem szeretne azonnal saját 3D nyomtatót vásárolni, elküldheti 3D modelljét a Conrad 3D nyomtatási szolgáltatásunkhoz. Itt egyedi mintákat vagy kis sorozatokat nyomtathat, és a 3D nyomtatási technológia teljes spektrumát megtalálja.
A klasszikus számítógépes nyomtató tintát vagy tonert visz fel egy papírlapra, így szöveges dokumentumot vagy képet készít.
Mivel a feladat a papírszintre korlátozódik, elegendő például, ha egy nyomtatófej balról jobbra mozog, vagy a festék- vagy tintafelvitel egy sorban történik.
A további nyomtatási irány meghatározásához a papírt a nyomtató mozgatja el. Ennek következtében a kész nyomat kétdimenziós.
3D nyomtató esetén a nyomat háromdimenziós. Ez azt jelenti, hogy a nyomtatott objektumnak van hossza és szélessége, valamint magassága is.
Emiatt a 3D nyomtató a két vízszintes nyomtatási tengely (X- és Y-tengely) mellett egy függőleges tengellyel (Z-tengely) is dolgozik.
Manapság számos műszaki megoldás létezik egy 3D objektum nyomtatására.
A szubtraktív (kivonásos) gyártásnál az anyagot fűrészeléssel, marással, fúrással vagy köszörüléssel távolítják el a nyersdarabból. A 3D nyomtatás ezzel szemben additív (hozzáadásos) gyártás. Ugyanis a befejezetlen munkadarabhoz adnak hozzá anyagot.
Az additív gyártás előnyei a vállalatok számára a klasszikus eljárásokkal szemben
- Gyorsabb és költséghatékonyabb gyártás, például az alacsonyabb anyagköltségek és a prototípus-fejlesztési hibák számának csökkenése miatt
- 3D objektumok éppen időben (just-in-time) történő gyártása (például gépalkatrészek)
- Funkcionális és összetett, valamint finom nyomtatott termékek alkatrészekhez, fröccsöntő formákhoz stb.
- Nagy rugalmasság a gyártási folyamatban az ad hoc változtatások és a változtatási kérelmek gyors végrehajtása révén
- Könnyű konstrukció: A 3D nyomtatással olyan formákat lehet létrehozni, amelyeket hagyományos gyártási módszerekkel lehetetlen vagy nehéz elkészíteni. A 3D-s konstrukciók tehát új mércét állítanak fel a súly, a kialakítás és a stabilitás tekintetében.
Az additív gyártás előnyei a személyes használatban
- A szükséges alkatrészek gyártása rövid idő alatt
- Individualizálás: Nem érdeklik a tömegtermékek? A 3D nyomtatóval egyedi darabokat készíthet.
- Szórakozás barkácsolás és tervezés közben
Gyakorlati tippünk: Ügyeljen a szerzői jogokra és védjegyek alkalmazására
A 3D nyomtatásra is vonatkoznak szerzői jogok. Ez azt jelenti, hogy nem minden sablont lehet szabadon módosítani, terjeszteni vagy akár kinyomtatni. A törvényi szabályozás például műalkotásokra vagy márkás termékekre vonatkozik, amelyekre a védjegyjog is vonatkozik. Tehát mielőtt elkezdené, vessen egy pillantást a szabályozásokra.
Határozottan elmúltak azok az idők, amikor a 3D nyomtatók hihetetlenül drága speciális eszközök voltak, amelyeket csak erre szakosodott szakemberek kezelhettek. Az eszközök műszakilag már kiforrottak, és nem jelentenek komoly akadályt a felhasználók számára. De nemcsak erről van szó. Szerencsére az árak is annyira lecsökkentek, hogy ma már szinte minden hobbiműhelyben vagy kézműves szobában megtalálható egy 3D nyomtató. Jelenleg a 3D nyomtatók három kategóriába sorolhatók, ahol az átmenetek gördülékenyek.
| Kezdő kategória | Középkategória | Profi kategória | |
|---|---|---|---|
| Árkategóriák | 600,- €-ig | 600-tól 1.500,- €-ig | 1.500 € fölött |
| Alkalmazási terület | Alkalmankénti nyomatok | Rendszeres alkatrész nyomtatás | Ipari 3D nyomtatás és kis sorozatok |
| Felhasználók | Diákok és barkácsolni tanulók | Ambíciózus barkácsolók | Cégek és műhelyek |
| Előnyök | Olcsó készülékek Könnyű kezelhetőség |
Jó ill. nagyon jó nyomtatási minőség Kiváló minőségű és stabil mechanika Kiterjedt szolgáltatások |
Professzionális, ipari minőségű nyomatok Precíz és tartós mechanika |
| Hátrányok | Mechanikai stabilitás alacsony A nyomatok méretpontossága Hiányzó funkciók |
Magas vételár Részben összetett működés és beállítások |
Nagyon magas vételár Nagy nyomtatási mennyiség szükséges a megtérüléshez |
Azonban az ár önmagában nem jelent garanciát a sikeres nyomtatásra. Ugyanis a nyomtatási minőség a nyomtató kalibrálásától és a nyomtatási feladat helyes beállításaitól is függ. Tapasztalat pedig mindenképpen szükséges, de ez a készülék használata során hamar kiderül.
Milyen költségekkel jár a 3D nyomtatás?
A 3D nyomtatónak a beszerzési költségeken kívül folyamatos üzemeltetési költségei is vannak. Ezek viszont attól függnek, hogy milyen gyakran és mennyi ideig működik a nyomtató, és milyen anyagokkal dolgozik.
Áramköltségek
A 3D nyomtató energiafogyasztása nagyon változó. Ennek az az oka, hogy a fűtőtestek, motorok és ventilátorok kapcsolási ideje eltérő.
Az ABS nyomtatószál sokkal magasabb hőmérsékletet igényel, mint a PLA. Az áramköltség átlagosan néhány forint óránként. A konkrét értékekhez helyszíni mérést kell végezni
Fogyóeszközök
A villamosenergia-költségekkel ellentétben a szükséges nyomtatószálak költségei lényegesen magasabbak. De itt is vannak különbségek az árak között.
Ajánljuk, hogy még akkor is ragaszkodjon a márkás nyomtatószál minőségéhez, ha az sokkall többe kerül, mint egy olcsó, névtelen termék.
Különösen akkor, ha a nyomtatószálhoz legjobban illő nyomtatóbeállítást sikerült megtalálni, és a kapott nyomtatási kép tökéletes.
A 3D nyomtatóval akár meglévő, akár saját tervezésű háromdimenziós objektumok készíthetők réteges konstrukcióban.
Tehát a nyomtatni kívánt objektumnak egy digitális háromdimenziós modellnek kell lennie.
A teljes 3D terveket letöltheti az internetről, vagy saját maga is elkészítheti egy megfelelő CAD programmal.
Itt is vannak ma már nagyon jó programok, amelyek ingyenesen használhatók az interneten.
Annak érdekében, hogy a kapott CAD-fájl valódi objektummá váljon a 3D nyomtatóban, a nyomtatókhoz megfelelő szoftver tartozik.
Ez kiszámítja a nyomtatóhoz szükséges szerszámutakat és parancsokat.
Szabadteres eljárás
A szabadteres eljárást más néven Fused Deposition Modeling (FDM) ill. Fused Filament Fabrication (FFF) eljárásként ismerjük. A filament nevű nyomtatási anyagot (nyomtatószálat) huzal formájában egy fűtött fúvókába (extruder) táplálják.
Folyékony eljárás
A sztereolitográfia (SLA) folyékony gyantával vagy folyékony műanyagokkal működik, amelyek hőre vagy UV fény hatására keményednek meg. A tárolóedényben lévő folyadékot meghatározott pontokon lézerrel besugározzák, és ezáltal megszilárdulnak
Szelektív lézeres szinterezés (SLS)
A nyomtatási folyamat kiindulási anyaga egy finom por, amely műanyagból, műanyag bevonatú fröccsöntő homokból, fémből vagy kerámiából készül. Ezt a port vékony rétegben felkerül a nyomdalapra. Ezután egy lézersugár megolvasztja a port bizonyos területeken, ami megszilárdul. Ezután felkerül a következő porréteg, és lézersugár segítségével hozzákötődik az alatta lévő réteghez. A befejezés után a 3D objektumot meg kell szabadítani a környező portól.
Szelektív lézeres olvasztás (SLM)
A szelektív lézeres olvasztás ugyanazon elv szerint történik, mint a szelektív lézeres szinterezés. A lézeres olvasztás azonban nem műanyagporral, homokkal vagy kerámiával történik. Kizárólag fémport használ az eljárás. A gyártott alkatrészek nagy fajlagos sűrűségűek, ami több mint 99%. Ez azt jelenti, hogy az alkatrészek ugyanolyan mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az alapanyag. Az alkatrészek azonban szelektív sűrűséggel is gyárthatók, ami a könnyűszerkezetes konstrukciókban szükséges az űrrepüléshez vagy az implantátumokhoz.
Gyakorlati tippünk: Megjegyzés a tartószerkezetekhez
Az FDM és az SLA nyomtatási eljárással nem lehetséges az „üresbe” nyomtatás, ha rétegesen épül fel. Ha túlnyúlásokat kell nyomtatni, akkor alulról érkező tartószerkezeteket kell felszerelni. Ezeket a tartószerkezeteket későbbel kell távolítani a kész 3D objektumról . Ezzel szemben az SLM és SLA nyomtatási folyamatok nem igényelnek semmilyen tartószerkezetet. A lézer által nem megvilágított, ezért laza por betölti a támasztó funkciót.
Az alkalmazott 3D nyomtatási eljárások áttekintése
| Additív nyomtatás | Nyomtatásra alkalmas anyagok |
|---|---|
| Polyjet modellezés és olvasztott lerakódás modellezés (FDM, olvasztott filament gyártás is, FFF) | Hőre lágyuló műanyagok adalékanyagokkal és anélkül |
| Sztereolitográfia (SLA) és digitális fényfeldolgozás (DLP) | Folyékony műgyanta |
| Szelektív lézeres szinterezés (SLS) |
Polimerek, kerámia, fémek |
| Szelektív lézerolvasztás (SLM) és elektronsugaras olvasztás | Fémek |
Egyéb nyomtatási eljárások közé tartozik a Multi Jet Fusion (MJF), amelyben a poliamid por rétegeit meghatározott pontokon nedvesítik meg hővezető és hőt gátló folyadékokkal. UV fény hatására a hővezető folyadékkal rendelkező területek ezután megszilárdulnak.
A tintasugaras nyomtatókhoz hasonló pornyomtatási eljárás (3DP) színes folyadékokat használ, amelyek reakcióba lépnek a porrétegben lévő kötőanyaggal, és megszilárdítják a port.
A Polyjet eljárás vagy a Multi-Jet Modeling (MJM) szerint működő 3D nyomtató sok kis fúvókával ellátott nyomtatófejjel rendelkezik, amelyekből a fotopolimer anyagok pontosan kinyomtathatók. A kikeményedés ezután UV fény hatására történik.
Az FDM- és SLA nyomtatók összehasonlítása
Mivel az FDM nyomtatás és az SLA nyomtatás a legnépszerűbb és legelterjedtebb nyomtatási mód, ezért részletesebben is felsoroltuk a két nyomtatótípus funkcióit és különbségeit.
FDM nyomtató
Különféle hőre lágyuló anyagokat (filamenteket = nyomtatószálakat) használnak az olvadékréteg folyamatában. A leggyakoribb nyomtatószálak a PLA, ABS, PETG, nylon, TPE és polikarbonát. Különböző anyagok, például szén, üvegszálak, fémrészecskék, agyag vagy akár fa hozzáadásával a nyomtatott 3D objektum megkapja a kívánt tulajdonságokat.
Ha a 3D nyomtató két extruderrel rendelkezik, akkor kétszínű objektumok nyomtathatók, vagy a tartószerkezet vízzel oldható szálból készíthető.
A befejezés után a nyomtatott tárgyat egyszerűen vízfürdőbe kell helyezni egy bizonyos ideig, hogy a tartószerkezet kíméletes módon eltávolítódjon.
A nyomtatható objektum maximális mérete a nyomtatási tértől függ. A nyomtatási tér pedig attól függ, hogy a nyomtatófej és a nyomtatóágy oldalirányban és magasságban mennyire elhajlítható.
Ha a kész objektum mérete meghaladja a nyomtatási tér méretét, külön részegységeket kell kinyomtatni, majd össze kell szerelni vagy ragasztani.
Ezzel a módszerrel könnyen megalkodható egy méter feletti szárnyfesztávolságú távirányítható repülőgépmodell is.
SLA nyomtató
Az SLA nyomtatóknak van egy tálcája, amely folyékony gyantát vagy folyékony műanyagot tartalmaz. A lézer energiáját arra használják, hogy a folyadékot meghatározott pontokon beszórják, ami megszilárdul. A felépítés itt is rétegenként történik.
A megfelelően magas 3D objektumok nyomtatásához a nyomtatónak rendelkeznie kell egy nagy folyadéktartóval, amelyben megfelelő mennyiségű folyadék fér el.
Ez azonban csak akkor szükséges, ha a lézeregység a tartály felett van. Ezért egyes gyártók az ellenkező megközelítést alkalmazzák.
A nyomólemez, amelyre a tárgy épül, felülről bekerül a merülőfürdőbe, a lézeres expozíció pedig alulról történik. Az első réteg után a talplemez felemelése és a következő réteg kialakítása történik.
Ebben az esetben a nyomtatott objektum alulról felfelé épül, de fejjel lefelé lóg. Ez azt jelenti, hogy a nyomtatható magasság lényegesen nagyobb, mint a tálca mélysége. Ennek ellenére az SLA nyomtatók alkalmasabbak kisebb, de rendkívül részletgazdag 3D objektumokhoz.
A jobb összehasonlítás érdekében egyértelműen összehasonlítottuk az FDM és SLA nyomtatók előnyeit és hátrányait:
3D nyomtatók összehasonlító táblázata
| Típus | Előnyök | Hátrányok |
|---|---|---|
| FDM nyomtató | ✓ Kedvező ár ✓ Nagyon ellenálló alkatrészek ✓ Nagyobb nyomtatótér ✓ Nem szükséges átfogó tisztítás |
✗ Felület hornyolt szerkezettel ✗ Közepes gyártási pontosság ✗ Támasztószerkezet szükséges |
| SLA nyomtató | ✓ Részletesebb felület ✓ Magas gyártási pontosság ✓ Átlátszó tárgyakat is képes nyomtatni |
✗ Csak UV-re keményedő műanyagokhoz alkalmas ✗ Lassabb gyártási folyamat ✗ Csak egyszínű nyomtatott objektumok ✗ Támasztószerkezet szükséges ✗ Komplex tisztítás szükséges |
A legtöbb felhasználó, aki el akarja kezdeni a 3D nyomtatást, először azt mérlegeli, hogy melyik nyomtatóváltozatot választja.
Kicsi és finoman részletezett nyomatokhoz az SLA nyomtató minden bizonnyal a jobb választás.
Ha azonban nagyobb projekteket kíván nyomtatni, és az anyagtulajdonságoknak meg kell felelniük a tervezett felhasználásnak, FDM-nyomtató használata javasolt.
Mindazonáltal nagyon nagy különbségek vannak az FDM nyomtatók kivitelében, minőségében és árában.
Emiatt szeretnénk közelebbről megvizsgálni ezeknek a nyomtatóknak a teljesítményjellemzőit:
Nyomtatótér
A nyomtatótér mérete X-, Y- és Z- tengelyekkel van megadva. Ezek általában tengelyenként 100 és 400 milliméter között vannak. Ez azt jelenti, hogy nem probléma nagyobb vagy több objektum előállítása egy nyomtatási folyamat során.
Nyomtatóágy
Vannak fűtött és fűtetlen változatok. Ha magas minőségi követelményeket támaszt, jobb, ha fűtött nyomtatóágyat használ. Mert így nem történhet baj. Gyakran megesik, hogy a frissen nyomtatott részek egyenetlenül melegek, és ezért eltérően formálhatók.
A fűtött lemez gondoskodik arról, hogy az anyag lassabban hűljön le, így a hőkülönbségek nem túl nagyok. A nyomtatóágy megfelelő hőjének beállításához fontos figyelembe venni, hogy milyen nyomtatószállal történik a nyomtatás. A PLA-hoz például elegendő a 60 Celsius fokos hőmérséklet.
A nyomóágy anyaga befolyásolja a tapadást és a hőmérséklet-eloszlást. Ide üvegből, kerámiából vagy öntött alumíniumból készült lemezeket ajánlunk. Annak érdekében, hogy a modell optimálisan tapadjon a nyomólaphoz a nyomtatás során, megfelelő ragasztófóliák, ragasztócsíkok vagy ragasztósprayek alkalmasak. Ezeket fűtött és fűtetlen nyomtatóágyakra is lehet alkalmazni.
Nyomtatási sebesség
Bár a jó minőségű eszközök másodpercenként 300 milliméter körüli sebességgel tudnak nyomtatni, ez gyakran a minőség rovására megy. A megfelelő nyomtatószálakkal, például a nagy sebességű PLA-val kombinálva még nagy sebességnél is jó minőséget biztosítanak. Ezenkívül a nyomtatási idő ismét csökken. A kezdőknek szánt 3D nyomtatók viszont lényegesen lassabbak, 60 mm/mp körüli értékekkel rendelkeznek.
A nyomtatási réteg magassága
Az alkalmazott nyomtatóanyag vastagsága változó. Minél vékonyabb a nyomtatási réteg, annál részletesebb és pontosabb lesz a modell. Ezenkívül az egyes nyomtatási rétegek közötti barázdák kevésbé észrevehetők. Ez a funkció többek között különbséget tesz a jó minőségű és az olcsó 3D nyomtatók között. A nyomtatási réteg magasságának csökkenésével azonban megnő a nyomtatáshoz szükséges idő.
Hot-end és extruder
Az extruder a 3D nyomtató szíve: ez és egy forró fúvóka (hot-end) megolvasztja és formálja az izzószálat, és felépíti a tárgyat. A 3D nyomtatók egy vagy két extruderrel rendelkeznek.
Professzionális használatra különösen ajánlott a két extruderes készülék (dual extruder). Jobb nyomtatási eredmény érhető el, ha például vízben oldható PVA-ból készült tartószerkezeteket nyomtatunk. A finom támasztékok könnyen eltávolíthatók vízfürdőben. Ezenkívül különböző anyagok, például puha és kemény anyagok vagy több szín kombinálható egy modellben.
Filament (nyomtatószál)
A nyomtatószálak fontos kritériumai a keménység, a rugalmasság és a hőmérsékletállóság. A hagyományos FDM-eljárás nyomtatási anyaga általában PLA-szálból vagy ABS-szálból áll.
A PLA egy természetes műanyag, ami biológiailag lebomlik. UV álló és könnyen feldolgozható. Ráadásul a legjobban a nyomdalapra szerelt üveglaphoz vagy tükörhöz tapad a nyomtatás során. Nincs szükség fűthető lapra.
Továbbá létezik olyan PLA nyomtatószál, ami fát, bronzot, sárga- vagy vörösrezet tartalmaz. Ezek megjelenésükben és érzetükben megtévesztően hasonlítanak az eredeti anyaghoz. Átlátszó vagy sötétben világító szálak is kaphatók.
A PLA 60 Celsius fokon formázható. Ezért nem alkalmas olyan tárgyakhoz, mint például csészék, amelyek használat közben felforrósodnak vagy forró anyagokkal érintkeznek.
Az ABS műanyag kőolajból készült, ütésálló és kevésbé érzékeny a hőre, mint a PLA. Ezért alkalmas utófeldolgozásra is, mint például polírozás vagy csiszolás. Azonban nehezebb feldolgozni, és fűtött nyomtatóágyat igényel.
Ráadásul ma már majdnem minden műanyag elérhető a 3D nyomtatókhoz, függetlenül attól, hogy nagy szilárdságú polikarbonátról vagy kopásálló nylonról van szó. A nyomtatószál kiválasztásával a nyomtatott tárgy tulajdonságai tökéletesen igazíthatók a tervezett felhasználáshoz. Azonban mindig egy kicsit időigényes megtalálni az optimális nyomtatóbeállításokat az adott izzószálhoz.
Hogyan kapja meg az adatokat a 3D nyomtató?
A gyakorlatban hasznosnak bizonyul, ha a nyomtató fájljait SD-kártyára másolja, majd a kártyát a nyomtató kártyanyílásába helyezi. Feltéve, hogy a nyomtató rendelkezik ezzel a lehetőséggel. Ha a nyomtató csak interfészkábellel csatlakozik a számítógéphez, a számítógépnek addig működnie kell, amíg a nyomtató be nem fejezi a nyomtatást.
Milyen szoftverre van szükség egy 3D nyomtatóhoz?
A nyomtatóban használt belső szoftveren (firmware) kívül nyomtatószoftvert is telepíteni kell a számítógépre. A 3D nyomtatók gyakori szoftvere például a Repetier Host. Ebbe a szoftverbe egy szeletelő (slicer) van beépítve, amely a tervfájlt a nyomtató számára érthető formátumba konvertálja. Ha saját maga szeretné létrehozni az objektumokat a 3D nyomtatáshoz, akkor is szüksége van CAD szoftverre. Ezek akár ingyenesen is használhatóak az interneten.
Az olcsó nyomtatók rosszabb 3D-s eredményeket kínálnak?
Erre a kérdésre nem lehet ilyen egyszerűen válaszolni, mert az ár csak korlátozottan tükrözi a termék minőségét. Alapvetően elmondható, hogy a jó nyomtatási minőséghez nagy pontosságra van szükség. A 3D-s pontosság eléréséhez kiváló minőségű alkatrészekre és a 3D gép stabil szerkezetére van szükség.
Milyen előnyei vannak a kettős extrudernek?
A kettős extruderrel rendelkező 3D nyomtatókkal különböző nyomtatószálak feldolgozása lehetséges egyetlen 3D nyomtatási feladat során. Ez lehet két különböző színű PLA szál vagy egy vízálló és egy vízben oldódó szál a tartószerkezetekhez. A kettős extruderrel rendelkező 3D nyomtató beállítása azonban lényegesen bonyolultabb és kevésbé alkalmas kezdők számára.
Mi az a gyors prototípuskészítés (rapid prototyping)?
A gyors prototípuskészítés szó szerint gyors modellépítést jelent. Ellentétben a hagyományos gyártással, amely az egyes darabok esetében meglehetősen bonyolult, az additív gyártási eljárásokkal kis know-how-val nagyon gyorsan lehet a legmagasabb minőségű prototípusokat létrehozni.