3D tisk s práškovým ložem a inkoustovou hlavou - Powder bed and inkjet head 3D printing

Tento článek se zabývá práškovým ložem a 3D tiskem založeným na inkoustových tiskárnách. Populární výraz pro všechny procesy aditivní výroby viz aditivní výroba.

Schematické znázornění procesu: pohybující se hlava A) selektivně váže (nanášením lepidla nebo laserovým slinováním) povrch práškového lože E); pohyblivá plošina F) postupně snižuje postel a ztuhlý předmět d) spočívá uvnitř nenavázaného prášku. Nový prášek se kontinuálně přidává do lože ze zásobníku prášku C) pomocí nivelačního mechanismu b)

Binder jet 3D tisk, známý různě jako „Powder bed and inkjet“ a „drop-on-powder“ tisk, je a rychlé prototypování a aditivní výroba technologie pro vytváření objektů popsaných digitálními daty, jako je soubor CAD. Tryskání pojivem je jednou ze sedmi kategorií aditivních výrobních procesů podle ASTM a ISO.[1]

Dějiny

Tato technologie byla poprvé vyvinuta na Massachusetts Institute of Technology a patentován v roce 1993. V roce 1996 byla společnosti ExOne udělena exkluzivní oblast použití této technologie[2], zatímco Z Corporation, který byl později získán společností 3D Systems[3], získal nevýhradní patent na použití technologie pro účely lití kovů[4]. Termín „trojrozměrný tisk“ byl chráněn ochrannou známkou výzkumné skupiny na MIT spolu se zkratkou 3DP.[5][6] Výsledkem je, že termín „3D tisk“ původně odkazoval jedinečně na proces tryskového tisku pojivem, než získal širší přijetí jako termín odkazující na všechny aditivní výrobní procesy.

Popis

Jako v mnoha jiných aditivní výroba zpracovává část, která má být vytištěna, je vytvořena z mnoha tenkých průřezy 3D modelu. An inkoustový tisk tisková hlava se pohybuje po vrstvě prášku a selektivně ukládá kapalinu vázací materiál. Po dokončeném úseku se rozetře tenká vrstva prášku a postup se opakuje, přičemž každá vrstva přilne k poslední.

Když je model kompletní, nenavázaný prášek se automaticky a / nebo ručně odstraní v procesu zvaném „zbavení prášku“ a může být do určité míry znovu použit.[7]

Část zbavená prášku by mohla být volitelně podrobena různým infiltracím nebo jiným ošetřením, aby se získaly vlastnosti požadované v konečné části.

Materiály

A 3D selfie v měřítku 1:20 tištěný Shapeways pomocí sádrového tisku, vytvořený Madurodam miniaturní park z 2D snímků pořízených na jeho fotostánku Fantasitron.

V původních implementacích škrob a sádrová omítka naplňte práškové lože, přičemž tekutým „pojivem“ je většinou voda pro aktivaci omítky. Pojivo také obsahuje barviva (pro barevný tisk) a přísady k úpravě viskozita, povrchové napětí, a bod varu odpovídá specifikacím tiskové hlavy. Výsledné části omítky obvykle chybí “zelená síla "a vyžadují infiltraci roztaveným vosk, kyanoakrylát lepidlo, epoxid atd. před běžnou manipulací.

I když to nutně nevyžaduje konvenční inkoustová technologie lze za použití chemických nebo mechanických prostředků nasadit různé jiné kombinace práškových pojiv k formování předmětů. Výsledné části pak mohou být podrobeny různým režimům následného zpracování, jako je infiltrace nebo pečení. Toho lze dosáhnout například tak, že se eliminuje mechanické pojivo (např. Spálením) a zpevní se materiál jádra (např. Roztavením), nebo se vytvoří kompozitní materiál, který mísí vlastnosti prášku a pojiva. V závislosti na materiálu může být plně barevný tisk možností, ale nemusí. Od roku 2014 vynálezci a výrobci vyvinuli systémy pro tvarování předmětů z písek a uhličitan vápenatý (tvoří syntetický mramor ), akryl prášek a kyanoakrylát, keramický prášek a tekuté pojivo, cukr a voda (pro výrobu bonbónů) atd. Jedním z prvních komerčně dostupných produktů, které zahrnovalo použití Graphene, byl práškový kompozit používaný při 3D tisku inkoustovou hlavou s práškovým ložem.[8]

Technologie 3D tisku má omezený potenciál měnit vlastnosti materiálu v jedné sestavě, ale je obecně omezena použitím společného materiálu jádra. V originále Z Corporation systémy, průřezy jsou obvykle vytištěny s plnými obrysy (tvořící pevnou skořápku) a vnitřním vzorem s nižší hustotou, aby se urychlil tisk a zajistila se tvarová stabilita při vytvrzování dílu.

Vlastnosti

Kromě objemového zabarvení pomocí více tiskových hlav a barevného pojiva je proces 3D tisku obecně rychlejší než jiné technologie aditivní výroby, jako je modelování kondenzované depozice tryskání materiálu, které vyžaduje 100% nanášení buildu a nosného materiálu v požadovaném rozlišení. Ve 3D tisku je většina každé tisknuté vrstvy bez ohledu na složitost ukládána stejným a rychlým procesem šíření.[9]

Stejně jako u jiných technologií s práškovým ložem nejsou obecně vyžadovány podpůrné struktury, protože sypký prášek podporuje převislé prvky a skládané nebo zavěšené předměty. Odstranění tištěných podpůrných struktur může zkrátit dobu výroby a použití materiálu a zjednodušit zařízení i následné zpracování. Samotné odstranění prášku však může být choulostivý, chaotický a časově náročný úkol. Některé stroje proto automatizují odstranění prášku a recyklaci prášku do té míry, jak je to možné. Vzhledem k tomu, že celý objem sestavení je naplněn práškem, jako u stereolitografie, musí být v konstrukci umístěny prostředky k evakuaci duté části.

Stejně jako ostatní procesy s práškovým ložem, povrchová úprava a přesnost, hustota objektů a - v závislosti na materiálu a procesu - síla dílu může být horší než technologie jako např stereolitografie (SLA) nebo selektivní laserové slinování (SLS). Ačkoli „schodišťové kroky“ a asymetrické rozměrové vlastnosti jsou rysy 3D tisku jako většina ostatních vrstvených výrobních procesů, materiály pro 3D tisk jsou obecně konsolidovány takovým způsobem, který minimalizuje rozdíl mezi vertikálním a rovinným rozlišením. Tento proces se také hodí rasterizace vrstev v rozlišení cíle, rychlý proces, který pojme protínající se tělesa a další datové artefakty.

Cena práškových postelí a inkoustových 3D tiskáren se obvykle pohybuje v rozmezí od 50 000 do 2 000 000 USD[Citace je zapotřebí ] nicméně existuje kutilská kutilská sada prodávající od 800 $ k převodu spotřebitelské FDM tiskárny na práškovou / inkoustovou tiskárnu.

Omezení

Části potištěné pomocí procesu tryskání pojiva jsou ze své podstaty porézní a mají nedokončený povrch, protože na rozdíl od fúze práškového lože nejsou prášky fyzicky roztaveny a jsou spojeny pojivem. Zatímco použití pojiva umožňuje, aby se materiály s vysokou teplotou tání (např. Keramika) a materiály citlivé na teplo (např. Polymer) práškovaly a používaly pro výrobu aditiv, části tryskající pojivem vyžadují další dodatečné zpracování, které může vyžadovat více času, než to trvá k tisku součásti, jako je vytvrzování, slinování a další dokončování.[10]

Rentgenový snímek částic normálního kovu a aglomerátu produkovaných během procesu tryskání pojivem. Použitým práškem byla 9um nerezová ocel 316. Všimněte si velkých kruhových aglomerátových částic - tyto vedou k vyčerpání práškového lože.

Tryskání pojiva je zvláště náchylné k jevům vyčerpání práškového lože, ke kterému dochází, když je pojivo spadnuto na povrch práškového lože. Tato otázka je zvláště převládající v tryskání pojiva, protože na rozdíl od tradičních aditivních výrobních procesů (které využívají vysoké teplo k roztavení a tavení prášků dohromady) může „paprsek“ pojiva, který spadne na lože, způsobit, že velké aglomeráty polopevného prášku být vyhozen z povrchu a zanechat za sebou podpovrchové zóny vyčerpání (u 30 μm prášku SS316 byla pozorována hloubka vyčerpání zóny 56 ± 12 μm). Růst vyčerpávajících zón při ukládání potištěných následných vrstev prášku může mít zásadní důsledky pro kvalitu dílů potištěných tryskáním pojivem. Vyvržené aglomeráty přistávají na jiných oblastech lože, což způsobuje, že povrch lože je méně rovný, rozměry finální části jsou zdeformované a nepřesné a tvoří se velké podpovrchové póry. Mohou být také přítomny zbytkové vady a napětí, které snižují pevnost již slabší části (v důsledku inherentní pórovitosti části tryskané pojivem).[11]

Tyto faktory omezují použití tryskání pojiva pro vysoce výkonné aplikace, například pro letectví a kosmonautiku, protože části tryskané pojivem jsou obecně slabší než ty, které jsou potištěny procesy fúze s práškovým ložem. Tryskání pojivem je však ideální pro rychlé prototypování a výrobu levných kovových dílů.[12]

Viz také

Reference

  1. ^ „ISO / ASTM52900 - 15 Standardní terminologie pro aditivní výrobu - Obecné zásady - Terminologie“. ASTM International. 2015. Citováno 24. ledna 2019.
  2. ^ „Pozměněná a přepracovaná exkluzivní licenční smlouva o patentu“. www.sec.gov. Citováno 24. června 2019.
  3. ^ „3D Systems dokončuje akvizici společností Z Corp a Vidar“. 3D systémy. Citováno 24. června 2019.
  4. ^ „Pozměněná a přepracovaná exkluzivní licenční smlouva o patentu“. www.sec.gov. Citováno 24. června 2019.
  5. ^ „Tiskárny vytvářejí kopie ve 3D“. BBC novinky. 6. srpna 2003. Citováno 31. října 2008.
  6. ^ Grimm, Todd (2004). Uživatelská příručka pro rychlé vytváření prototypů. SME. str. 163. ISBN  978-0-87263-697-2. Citováno 31. října 2008.
  7. ^ Sclater, Neil; Nicholas P. Chironis (2001). Zdroje mechanismů a mechanických zařízení. McGraw-Hill Professional. str. 472. ISBN  978-0-07-136169-9. Citováno 31. října 2008.
  8. ^ „Prášek 3D tiskárny Graphenite ™ Graphene ™ - 30 liber“. Noble 3D Printers. Citováno 28. dubna 2018.
  9. ^ „Nejlepší průmyslová 3D tiskárna s vysokým rozlišením - Fusion3 F410“.
  10. ^ Gokuldoss, Prashanth Konda; Kolla, Sri; Eckert, Jürgen (červen 2017). „Procesy aditivní výroby: selektivní laserové tavení, tavení elektronovým paprskem a tryskání pojiva - pokyny pro výběr“. Materiály. 9 (6): 2–3. Bibcode:2017Mate ... 10..672G. doi:10,3390 / ma10060672. PMC  5554053. PMID  28773031.
  11. ^ Parab, Niranjan D .; Barnes, John E .; Zhao, Cang; Cunningham, Ross W. Cunningham; Fezzaa, Kamel; Rollett, Anthony D .; Ne, Tao (únor 2019). „Pozorování procesu tisku tryskáním pojiva v reálném čase“. Vědecké zprávy. 9 (1): 5–6. doi:10.1038 / s41598-019-38862-7. PMC  6385361. PMID  30792454.
  12. ^ „Vše, co potřebujete vědět o tryskání kovovými pojivy“. Autonomní výroba. 2018. Citováno 10. března 2019.