Entwicklungsgeschichte und 7 gängige Arten des 3D-Drucks

Bei der 3D-Drucktechnologie, die gemeinhin als additive Fertigung bezeichnet wird, werden dreidimensionale Objekte durch das Auftragen von klebenden Materialien auf der Grundlage digitaler Modelldateien hergestellt. Der 3D-Druck wird als eine der "12 bahnbrechenden Technologien, die die künftige Wirtschaft prägen werden" und als treibende Kraft der dritten industriellen Revolution bezeichnet. Er markiert einen massiven industriellen Wandel von der traditionellen Fertigung hin zu intelligenten Produktionsmethoden, der eine ganz neue Generation von technologischen Fortschritten eröffnet und eine weitere Welle des technologischen Fortschritts angestoßen hat.

Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechnologien, 3D-Druck Technologie bietet einzigartige Eigenschaften: die Eliminierung von Formen, die Reduzierung von Abfällen und die Verringerung des Lagerbestands - drei Elemente, die es ermöglichen, die Strukturoptimierung effektiv zu verbessern und gleichzeitig Material und Energie in der Produktion einzusparen, die Fertigungseffizienz erheblich zu steigern und innovative Konzepte der "konstruktionsgeleiteten Fertigung" zu realisieren.

Geschichte des 3D-Drucks

Ein Blick auf die Entwicklungsgeschichte der 3D-Drucktechnologie lässt sich bis zur Stereolithographie Appearance (SLA), die 1984 von dem amerikanischen Wissenschaftler Charles Hull erfunden wurde. Seitdem wurden verschiedene Technologien wie das selektive Lasersintern (SLS) Arten des 3D-Drucks, selektives Laserschmelzen (SLM), dreidimensionales Drucken und Kleben (3DP) usw. wurden nach und nach entwickelt.

Seit Beginn dieses Jahrhunderts hat die 3D-Drucktechnologie dramatische Fortschritte gemacht und ist schnell in eine Ära der rasanten globalen Entwicklung eingetreten. Unter den Haupttechnologien wie 3D-Druck und additive Fertigung (AM) haben sich nach und nach zahlreiche innovative Subtechnologien herausgebildet, die den spezifischen Anforderungen der Industrie gerecht werden und die traditionellen Fertigungstechniken wirksam ergänzen.

Klassifizierung der Arten des 3D-Drucks

Gemäß der Norm ISO/ASTM 52900: 2015, die vom Technischen Komitee für Additive Fertigung der Internationalen Organisation für Normung herausgegeben wurde, werden die Arten von 3D-Druckverfahren hauptsächlich in sieben Kategorien unterteilt.

I. Art der Materialextrusion

Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine Art des 3D-Drucks, eines der intuitiveren und beliebteren Druckverfahren, bei dem Material strategisch durch Düsen oder Öffnungen aufgebracht wird. Fused Deposition Modeling ist vielleicht die intuitivste dieser Drucktechnologien: Während der Produktion erhitzt und schmilzt die Maschine fadenförmiges thermoplastisches Material, bevor es durch Mikrostrahldüsen auf eine geeignete Plattform extrudiert und schließlich abgeschieden wird. Nach dem Abkühlen bildet sich eine Querschnittsschicht, die Schicht für Schicht gedruckt wird, bis das Objekt seine vollständige Form angenommen hat. Zu den typischen Druckmaterialien gehören Polymilchsäure (PLA), thermoplastisches Polyurethan-Elastomer (TPU), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) usw.

Vorteile: Niedrige Kosten für Ausrüstung und Verbrauchsmaterial, eine große Auswahl an 3D-Druckmaterialien und die Festigkeit der gedruckten Produkte führen zu niedrigeren Druckkosten und schnelleren Produktionsraten.

Nachteile: geringe Druckgenauigkeit, hohe Oberflächenrauhigkeit des gedruckten Musters.

II. Photopolymerisation - Synthese

Selektive Lichthärtung von Flüssigpolymeren mit Licht bestimmter Wellenlängen. Bei dieser Art von Technologie werden lichtempfindliche Harze verwendet, die unter Beleuchtung einen morphologischen Übergang von flüssig zu fest durchlaufen und so den Druckprozess ermöglichen. Je nach Art der Lichtquelle, der Beleuchtungsmethode und des Formgebungsverfahrens kann man zwischen dem 3D-Druck nach dem Stereolithographie-Verfahren (SLA) und der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) unterscheiden, die sich in ihren Prinzipien und Druckverfahren unterscheiden.

Beim SLA-3D-Druck wird die Oberfläche des flüssigen Harzes Punkt für Punkt mit einem Laser abgetastet, und die Punkt-Linien-Oberflächen-Sequenz wird ausgehärtet, um die Bildung einer Schicht abzuschließen, die dann durch die Bewegung der Formplattform zu einem dreidimensionalen Körper geschichtet wird. Beim DLP-Verfahren wird eine Schicht vollflächig belichtet, wobei als Lichtquellen meist LED-Ultraviolettlichtquellen verwendet werden. Das Belichtungsmuster für jede Schicht wird durch räumliche Lichtmodulatoren wie digitale dynamische Maskenchips erzeugt.

Vorteile: hohe Verarbeitungsgenauigkeit, glatte Oberfläche des Druckerzeugnisses und hohe Effizienz beim vollflächigen Belichtungsformen.

Nachteile: begrenzte Auswahl an Materialien, schwächere Materialeigenschaften.

Ⅲ. Direktionale Energieabscheidung Typ

Der Prozess der Verwendung von Arten des 3D-Drucks mit fokussierter thermischer Energie zum Schmelzen von Materialien für die unmittelbare Ablagerung, hauptsächlich einschließlich der lasergestützten Pulverabgabe (LENS, LBMD, LSF) und der Elektronenstrahldirektfertigung (EBDM), wird hauptsächlich zur Konstruktion oder Reparatur bestehender Strukturen verwendet. Bei diesem Verfahren erzeugt eine Energiequelle wie ein Laserstrahl ein Schmelzbad im Beschichtungsbereich und bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit, wobei eine Düse draht- oder pulverförmige Materialien (z. B. Titan- und Kobalt-Chrom-Legierungen) in die Hochtemperaturzone schickt, um sie bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen und dann nach dem Schmelzen Schicht für Schicht abzuscheiden. Die Düse oder die Werkbank ist an einem hochbeweglichen Arm montiert, der eine sehr flexible Bewegung ermöglicht.

Vorteile: Keine Unterstützung erforderlich, hohe Verarbeitungsflexibilität und effiziente Vorbereitung und Reparatur von Bauteilen.

Benachteiligungen: Begrenzte Oberflächengenauigkeit bei der Bearbeitung, die eine zusätzliche Bearbeitung der geformten Proben erfordert (z. B. Zusammenarbeit mit Fräsmaschinen), und Schwierigkeiten bei der Reparatur komplexer Strukturteile.

Ⅳ.Material Sprühtyp

Die Arten des 3D-Drucks sind eine Weiterentwicklung des 2D-Tintenstrahldruckers. Der Materialstrahl kann in kontinuierlichen Materialstrahl (CMJ), Nanopartikelstrahl (NPJ) und Tropfen auf Abruf (DOD) unterteilt werden. Das Grundprinzip besteht darin, geladene Ablenkplatten und elektromagnetische Felder zu verwenden, um die aufgesprühten Materialien auf der Druckplattform genau zu positionieren, und ultraviolette Lichtquellen zum Aushärten und Formen zu verwenden.

Das Jetting-Verfahren ist dem oben erwähnten 3D-Druck mittels Stereolithografie (SLA) sehr ähnlich, mit dem Unterschied, dass beim SLA-Verfahren Hunderte winziger Tröpfchen auf einmal versprüht werden können, während beim SLA-Verfahren das Harz punktuell im gesamten Zylinder mittels Laser ausgehärtet wird. Zu den gesprühten lichtempfindlichen Tröpfchenmaterialien gehören Polymere und Kunststoffe wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polypropylen (PP).

Vorteile: Es ermöglicht einen hochpräzisen, schnellen Vollfarbdruck, der die ästhetische Qualität von Prototypen und endgültigen Bauteilen erhöht.

Benachteiligungen: begrenzte Auswahl an Materialien, teuer, erfordert Nachbearbeitung, um überschüssiges Material zu entfernen.

V. Klebespritzgießen

Auch bekannt als dreidimensionales Drucken und Kleben (3DP), ist es ein Prozess der Pulverformung durch Sprühen von Klebstoff. Das Hauptverfahren besteht darin, pulverförmige Materialien wie Keramik oder Polymere in einen Behälter zu füllen und einen Tintenstrahldruckkopf zu verwenden, um Klebstoff in das Pulver zu sprühen. Wie Sand, der mit Wasser vermischt wird, bildet sich eine festere Struktur.

Eine Pulverschicht verbindet sich in ausgewählten Bereichen, und bei Wiederholung dieses Prozesses wird die nächste Pulverschicht durch das Eindringen des Klebstoffs mit der vorherigen Schicht verbunden, so dass ein Schichtstapel entsteht. Bei der Verwendung von Metall- und Keramikwerkstoffen muss der Klebstoff durch Hochtemperatursintern entfernt und eine metallurgische Verbindung zwischen den Pulverteilchen hergestellt werden, damit das fertige Produkt eine bestimmte Festigkeit und Dichte aufweist.

Vorteile: hohe Formeffizienz, Drucken verschiedener Farben in derselben Charge, keine Notwendigkeit für Stützstrukturen.

Benachteiligungen: hohe Rauheit, geringe Dichte von 3D-Druck-Formteilen, Nachbearbeitungstechniken wie Entfettung und Sintern von Metallen und Keramiken sowie die Notwendigkeit, Polymere mit Wachs zu versetzen, um die Strukturfestigkeit zu erhöhen.

Ⅵ. Pulverbett-Schmelzguss

Dies ist ein weiteres pulverbettbasiertes Verfahren, das hauptsächlich für den Druck und die Herstellung von 3D-Druckerteile. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Druckverfahren wird beim Pulverbettschmelzen kein Bindemittel aufgetragen, um den Druck zu erreichen, und es handelt sich hauptsächlich um selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM) und selektives Elektronenstrahlschmelzen (EBSM).

Der Prozess des Schmelzens im Pulverbett läuft im Allgemeinen wie folgt ab: Das in Trichtern und Vorratsbehältern gelagerte Pulvermaterial wird mit einer Pulverauftragswalze gleichmäßig auf die Oberfläche der Druckplattform aufgetragen. Unter Vakuum werden energiereiche Strahlen wie Hochleistungslaser oder Elektronenstrahlen eingesetzt, um das Pulver zu schmelzen und zu sintern, so dass es sich miteinander verbindet.

Dann wird eine Pulverschicht für den nächsten Sinterschritt aufgetragen, bis der gesamte Festkörper geformt ist. Beim selektiven Schmelzen mit Elektronenstrahlen wird das Pulverbett vorgewärmt, und die Temperatur der gesamten Kammer kann Tausende von Grad erreichen, wodurch die Eigenspannung der geformten Teile stark reduziert wird; beim SLS-3D-Druck müssen zusätzliche Bindemittel wie niedrig schmelzende Metalle oder Harze hinzugefügt werden.

Vorteile: Hochpräzise, Druck von verschiedenen Materialien wie Metall (z. B. Titan, Aluminium, Kupfer, Edelstahl und Hochtemperaturlegierungen), Keramik und Nylon.

Benachteiligungen: hohe Kosten, Neigung zu Verformungen beim Druck großer Objekte, langsame Geschwindigkeit.

VII. Blatt Laminierung Typ

Nach dem Laserschneiden werden die Materialien mit Klebstoffen oder durch Schweißen zu einer Einheit verbunden. solide Gegenstand. Im Gegensatz zu den anderen oben genannten Verfahren kann die Bogenlaminierdrucktechnik auch mit anderen Materialien als Metallplatten verwendet werden, einschließlich fast aller anderen Materialien, die gerollt werden können, wie beispielsweise Papier. Das Blechlaminieren umfasst hauptsächlich die Herstellung von Schichtobjekten (LOM) und die additive Fertigung mit Ultraschall (UAM).

LOM-Anwendungen und Arten des 3D-Drucks

Klebstoff, um mehrere Papierschichten zu verbinden, und schneidet sie mit einem scharfen Messer ohne Erhitzen oder Schmelzen. Das Schneideverfahren ist für jedes Stück Papier etwas anders. UAM verwendet Ultraschallschweißmaschinen, um Bleche oder Metallstreifen zu verbinden, wobei jede Metallschicht auf die wachsende Struktur aufgerollt wird. Der größte technische Vorteil ist die niedrige Temperatur, die für temperaturempfindliche, niedrig schmelzende Materialien geeignet ist.

Vorteile: hohe Formgebungsgeschwindigkeit, hohe Präzision, geringer Verzug und Verformung.

Benachteiligungen: Schlechte Bindung zwischen den Schichten, erhebliche Anisotropie in der strukturellen Festigkeit der geformten Probe, geringe Materialausnutzung und begrenzte Fähigkeit zur Herstellung einfacher struktureller Komponenten.