A 3D nyomtatás és múltja

Bevezető

A 3D nyomtatás egy additív technológia, amelyet alkatrészek gyártására használnak.
Az "additív" abban áll, hogy a fizikai tárgyak előállításához nincs szükség anyagtömbre vagy öntőformára, hanem egyszerűen anyagrétegeket halmoz és olvaszt egymásra.
Jellemzően gyors, alacsony beállítási költségekkel rendelkezik, és a "hagyományos" technológiáknál összetettebb geometriák létrehozására képes, az anyagok egyre bővülő listájával.
A gépiparban széles körben használják, különösen prototípusok készítésére és könnyűszerkezetes geometriák létrehozására.

A 3D nyomtatás és az additív gyártás

A "3D nyomtatást" általában az alkotó-kultúrával, a hobbistákkal és amatőrökkel, az asztali nyomtatókkal, az olyan hozzáférhető nyomtatási technológiákkal, mint az FDM, és az olyan olcsó anyagokkal, mint az ABS és a PLA-val jellemzik. Ez nagyrészt a 3D nyomtatás demokratizálódásának köszönhető a RepRap mozgalomból kinőtt, megfizethető asztali gépek révén, mint például az eredeti MakerBot és Ultimaker, amelyek 2009-ben a 3D nyomtatás robbanásszerű elterjedéséhez is vezettek.

Az additív gyártás 2D anyagrétegek lerakásával és összeolvasztásával építi fel a 3D tárgyakat.
Ennek a módszernek szinte nincs indítási ideje és költsége, így ideális prototípusgyártásra. Az alkatrészek gyorsan elkészíthetők és használat után eldobhatóak. Az alkatrészek szinte bármilyen geometriában előállíthatók, ami a 3D nyomtatás egyik fő erőssége.

A 3D nyomtatás egyik legnagyobb korlátja, hogy a legtöbb alkatrész eleve anizotróp vagy nem teljesen sűrű, ami azt jelenti, hogy általában nem rendelkeznek a szubtraktív vagy formázó technikával készült alkatrészek anyagi és mechanikai tulajdonságaival.
A hűtési vagy kikeményedési körülmények ingadozásai miatt ugyanannak az alkatrésznek a különböző nyomatai is hajlamosak az enyhe eltérésekre, ami korlátozza a konzisztenciát és a megismételhetőséget.

A 3D nyomtatás és a gyors prototípusgyártás

A "gyors prototípusgyártás" egy másik kifejezés, amelyet néha a 3D nyomtatási technológiákra utalva használnak. Ez a 3D nyomtatás korai történetére nyúlik vissza, amikor a technológia először jelent meg. Az 1980-as években, amikor a 3D nyomtatási technikákat először feltalálták, gyors prototípusgyártási technológiáknak nevezték őket, mivel akkoriban ez csak prototípusok készítésére volt alkalmas, kész alkatrészek gyártására nem.

Az elmúlt években a 3D nyomtatás kiváló megoldássá vált sokféle alkatrészhez emellett más gyártási technológiák olcsóbbá és elérhetőbbé váltak a prototípusok elkészítéséhez.

Mikor találták fel a 3D nyomtatást?

A 3D nyomtatás az ipari termékfejlesztés, prototípusgyártás felgyorsításának ötleteként indult. Bár már korábban is volt néhány szabadalom, jellemzően Chuck Hullnak tulajdonítják a 3D nyomtató feltalálását az 1984-ben szabadalmaztatott Stereolithography Apparatus (SLA) segítségével.

Események:

• Chuck hírneve ellenére az 1980-as évek végén több technológiát is fejlesztettek párhuzamosan, és ebben az időszakban több olyan vállalatot is alapítottak, amelyek döntő szerepet játszottak a technológia fejlődésében.
• 1981: az első szabadalmat egy UV-fényt fotopolimerek keményítésére használó készülékre Hideo Kodama kapta Japánban. A készüléket modellek és prototípusok készítésére szánták, de nem volt érdeklődés, és a szabadalomról lemondtak.
• 1984: Alain Le Mehaute, Olivier de Witte és Jean Claude André francia feltalálók szabadalmat nyújtottak be, amelyben Hideóéhoz hasonlóan UV-fényt használtak fotopolimerek keményítésére. A General Electric lemondott a szabadalomról, arra hivatkozva, hogy nincs jelentős üzleti potenciál benne.
• 1984: mindössze néhány héttel Le Mehaute után az amerikai Charles Chuck Hull benyújtotta saját szabadalmát a "háromdimenziós tárgyak sztereolitográfiával történő előállítására szolgáló készülékre", és ezzel megalkotta a sztereolitográfia (SLA) kifejezést is.
• 1987: Hull feltalálta az STL-fájlt, és ugyanebben az évben megalapította a 3D Systems céget.
• 1987: az amerikai Carl Deckard szabadalmat nyújtott be a szelektív lézer szinterezőre (SLS), és ugyanebben az évben társalapítója volt a Desktop Manufacturing (DTM) Corp. (2001-ben a 3D Systems felvásárolta).
• 1989: az amerikai S. Scott Crump szabadalmat nyújt be a Fused Deposition Modelingre (FDM), és ugyanebben az évben feleségével megalapítja a Stratasys céget.

Kereskedelmi forgalmazás

Az 1980-as évek végétől az 1990-es évek elejéig az iparág nagyon gyors kereskedelmi forgalomba kerülésen ment keresztül. Az első gépek nagyok és drágák voltak, és gyártóik az ipari prototípusgyártási szerződésekért versenyeztek az autóipar, a repülőgépipar, az egészségügy és a fogyasztási cikkek tömeggyártóival.

Események:

• 1987: a 3D Systems kiadta az első kereskedelmi SLA nyomtatót, az "SLA-1"-et.
• 1992: az FDM-szabadalmat végül a Stratasys kapta meg, és ennek köszönhetően megjelent az első FDM-nyomtató, a "3D Modeler".
• 1992: a DTM kiadja az első kereskedelmi SLS nyomtatót, a "Sinterstation 2000"-t.
• 1994: az 1989-ben alapított német Electro Optical Systems (EOS) cég bemutatja az "EOSINT M160"-at, az első kereskedelmi fém 3D nyomtatót.

Demokratizálás

A 2000-es évek elején a profitért folytatott éles verseny, az anyagtudomány fejlődése és számos szabadalom megszűnése olyan környezetet teremtett, amelyben a 3D nyomtatás végre a tömegek számára is megfizethetővé vált. Ez volt az az évtized, amikor a 3D-nyomtatás a közvélemény képzeletében szárnyra kapott - a gyártás, amely korábban a nehézipar és a nagy pénzek birodalma volt, eljutott az emberekhez.

Események:

• 2005: a nyílt forráskódú RepRap projekt (Replicated Rapid Prototyper, azaz "Replikált gyors prototípuskészítő") azzal a céllal indult, hogy önmásoló 3D nyomtatókat hozzon létre, amelyek képesek saját alkatrészeiket kinyomtatni, és a technológia iránti érdeklődés az egekbe szökött.
• 2009: a legfontosabb FDM szabadalmak nyilvánosságra kerültek, és a MakerBot piacra dobta asztali 3D nyomtatóját, a "Cupcake CNC"-t. Amelynek minden alkatrésze letölthető volt a Thingiverse-ről, egy olyan weboldalról, amely a felhasználók által készített digitális tervfájlok megosztására szolgál.
• 2012: a Formlabs kiadja a "Form 1"-et, az első megfizethető árú SLA nyomtatót, egy rekordot döntő Kickstarter kampány keretében, amely 2,95 millió dollárnyi támogatást gyűjtött össze. A 3D Systems beperelte őket szabadalomsértés miatt, de az ügyet a Formlabs javára rendezték.
• 2013: a Hubs elindul, mint peer-to-peer 3D nyomtatási szolgáltatás, amely lehetővé teszi a tömeges tranzakciókat a nyomatokat vásárló emberek és a gépekkel rendelkező emberek között. Hamarosan a világ legnagyobb 3D nyomtatási platformjává nőtte ki magát, több mint 50 000 nyomtatási "hub"-jával, majd a cég üzleti ügyfeleinek segítésére összpontosítva az egyedi gyártás minden formájának elérhetőbbé tételével.
• 2014: a legfontosabb SLS-szabadalmak nyilvánosságra kerültek, ami egy egész sor kisebb és megfizethetőbb SLS-nyomtatókat gyártó vállalatot eredményezett.

Végstádium

2018-tól a 3D nyomtatás körüli izgalom nagyrészt eltűnt a tömegmédiából, de a kereskedelmi alkalmazások iránti érdeklődés a különböző méretű vállalkozások számára soha nem volt még ilyen nagy. Ma már több ezer vállalat gyárt nyomtatókat és kínál mindenféle szolgáltatást a 3D nyomtatási technológiát kihasználva.

Szubtraktív gyártás

A szubtraktív gyártás, mint például a marás és az esztergálás, úgy hoz létre tárgyakat, hogy anyagot távolít el (megmunkál) egy tömör anyagtömböt, amelyet gyakran "nyersanyagnak" is neveznek.

Szinte bármilyen anyag megmunkálható valamilyen módon, így ez egy széles körben alkalmazott technika. Mivel a folyamat minden aspektusát ellenőrizni lehet, ez a módszer pontos, nagy megismételhetőségű alkatrészek előállítására képes. A legtöbb konstrukcióhoz számítógépes gyártás (CAM) szükséges az egyedi szerszámpályák megrajzolásához és a hatékony anyageltávolításhoz, ami növeli a beállítási időt és a költségeket, de a legtöbb konstrukció esetében ez a legköltséghatékonyabb gyártási módszer.

A szubtraktív gyártás legfőbb korlátja, hogy a vágószerszámnak minden felületet el kell érnie az anyag eltávolításához, ami eléggé korlátozza a tervezés összetettségét. Bár az olyan gépek, mint az 5 tengelyes gépek kiküszöbölik e korlátozások egy részét, az összetett alkatrészeket továbbra is át kell igazítani a megmunkálási folyamat során, ami időt és költséget jelent. A szubtraktív gyártás emellett pazarló folyamat is, mivel a végső alkatrészgeometria előállításához nagy mennyiségű anyagot kell eltávolítani.

Formatív gyártás

A formatív gyártás, mint például a fröccsöntés és a préselés, úgy hoz létre tárgyakat, hogy az anyagokat hő és/vagy nyomás segítségével alakítja vagy formázza.

A formázási technikákat úgy tervezték, hogy csökkentsék az egyedi alkatrészek előállításának költségét, de a gyártási folyamatban használt egyedi formák vagy gépek létrehozása miatt a beállítási költségek magasak. Ettől függetlenül ezek a technikák az anyagok (fémek és műanyagok) széles skálájából képesek alkatrészeket előállítani közel hibátlan ismételhetőséggel, így nagy volumenű gyártás esetén szinte mindig ezek a legköltséghatékonyabbak.

Hogyan hasonlíthatók össze ezen módszerek?

A gyártás összetett, és túl sok dimenzió van ahhoz, hogy átfogóan össze lehessen hasonlítani az egyes módszereket a többivel. Szinte lehetetlen mindent egyszerre optimalizálni, a költségek, a sebesség, a geometriai összetettség, az anyagok, a mechanikai tulajdonságok, a felületkezelés, a tűrések és a megismételhetőség tekintetében.

Ilyen összetett helyzetekben az ökölszabályok sokkal értékesebbek:

• Az additív gyártás a legjobb a kis darabszámú, összetett mintákhoz, és amikor a sebesség alapvető fontosságú
• A szubtraktív gyártás a legjobb a közepes volumenű, egyszerű geometriák, szűk tűrések és kemény anyagok esetén
• A formatív gyártás azonos alkatrészek nagy volumenű gyártásához a legjobb