Hva er 3D-utskrift?

I de senere år har 3D-utskrift fått stor oppmerksomhet, lovende å revolusjonere produksjonen, og fullstendig vende om måten vi produserer elementer på. Som med mange nye forstyrrende teknologier er mye av dekningene i den populære pressen overdrevet, mer som en Star Trek-replikator enn de faktiske prosessene. 

Imidlertid, om noen av de vildeste hevder at de er ute eller ikke, for designere tilbyr 3D-utskrift et spennende potensial: evnen til å produsere gjenstander uten begrensninger av tradisjonell produksjon, evnen til å lage gjenstander på skrivebordet uten tradisjonelle ferdigheter eller tekniske ferdigheter.

4D Dodecahedron i en MakerBot Replicator 2. Bildetekst: Creative Tools via Flickr

Ved slutten av denne artikkelen vil du bli introdusert til terminologien for 3D-utskrift og ha en ide om hvilken metode som passer best for deg. Først vil vi diskutere de tre vanligste teknologiene, og deretter noen alternativer i utformingen av en modell.

3D Printing Technologies

Det ville være feil å tenke på 3D-utskrift som en enkelt teknologi. I stedet er det et sett med teknologier som følger en felles ide om additivproduksjon drevet av programvare. 

Så hva er additiv produksjon? Mange produksjons teknikker starter med en blokk av materiale og selektivt fjerner den til vi er igjen med ønsket objekt. Tilsetningsstoffproduksjon gjør dette på hodet, begynner med et tomt lerret og bare legger til det som kreves for det endelige objektet. 

I seg selv er denne additivproduksjonen ikke noe spesielt - et barn som bygger sandslott på stranden bruker additivproduksjon. Det er tillegget til bruk av digital teknologi for et pålitelig og nøyaktig resultat som gjør 3D-utskrift spesielt.

3D-utskrift bestående av mange 2D-skiver. Bildekreditt: Creative Tools via Flickr

Vanligvis fungerer dette ved å skive et objekt vi ønsker å lage i tynne seksjoner og bygge disse skiver en om gangen, stablet ovenpå hverandre. Tenk på å bygge en pyramide som en serie av firkantede bygninger, hver mindre enn sist, stablet opp for å lage en 3D-form.

FDM: Ekstruderende filamenter

Den første teknikken vi skal se på er FDM, Fused Depositional Modeling, eller FFF, Fused Filament Fabrication hvis vi ønsker å unngå varemerkede vilkår. Det er avhengig av "ekstrudering" av et filament av materiale, dvs. oppvarming av det til et punkt hvor det kan klemmes gjennom en dyse, noe som gir en jevnere tynnere filament. Denne dysen beveges over en overflate, tegner utsnittet av skiven vi vil lage, og fyller denne skissen med et mønster av materiale. 

Fordi materialet er varmt som det er ekstrudert, bindes det til en filament som allerede er lagt ned og danner et solidt stykke materiale. Når du er ferdig, beveger dysen opp en liten mengde og begynner å ekstrudere neste lag.

Delvis gjennom en FDM-utskrift, noter du omrisset og infillmønsteret. Bilde Kreditt: Tony Buser via Flickr

Dette er teknikken du finner i de fleste hobbyistiske 3D-skrivere, vanligvis med materialet ABS eller PLA-plast. Teknikken produserer en "trekorn" -lik overflate med små spor mellom hvert lag (selv om dette kan fjernes ved sliping, polering eller aceton-damp). Ufullstendig kalibrering av en maskin kan resultere i tråder av filament som stikker ut på steder eller klumper av smeltet materiale.

Teknikken kan kjempe med overhengende former. Siden det bygger på toppen av laget nedenfor, blir alt overhengende ekstrudert på ingenting, men luft! Så lenge vi ikke trenger å overhale for langt, støtter materialet seg selv og ikke setter for mye. Men kommersielle maskiner takler dette med et støttemateriale som er ekstrudert fra et andre hode, bygget som et stillas for å støtte eventuelle overheng som kan knuses eller oppløses etterpå. Det er noen hobbyist som prøver å replikere dette, men de pleier å være mindre pålitelige.

SLA: Innstilling av harpiks

Den neste teknikken, Stereolithography eller SLA, er avhengig av fotoresistente harpikser, fotopolymerer, materialer som forandrer seg fra flytende til faste når de blir utsatt for (vanligvis ultraviolett) lys. Ved å utsette hver del av objektet på overflaten av et tynt lag av væsken med ultraviolet (UV) lys, kan vi herde bare de delene vi ønsker. Denne herdede harpiksen blir gjentatte ganger oversvømt med et annet tynt lag av væske og deretter eksponert med UV-lys i form av neste stykke modell, for å etterlate en herdet 3D-struktur når vi drenerer av væsken. 

Metoden for UV-eksponering er forskjellig: Noen SLA-skrivere bruker en laser som styrer den over overflaten for å tegne skiven, mens andre bruker en DLP-projektor for å utsette et helt lag på en gang.

Stereolitografiske utskrifter fra Form 1-skriveren. Bildetekst: Seth Woodworth via Flickr

SLA produserer lettere en jevnere, høyere oppløsning, men har en tendens til å være dyrere. Det har det samme problemet med overheng, og deler har en tendens til å bli bygget på et stillas laget av samme harpiks som det byggede objektet, noe som krever ganske mye ryddesliping. 

Mange utskriftstyper i den profesjonelle verden av 3D-utskrift har en tendens til å bruke denne teknikken, og det er mange fotopolymerer som nå er tilgjengelige, og etterligner forskjellige materialer. Inntil nylig har patenter begrenset denne teknikken til profesjonelle maskiner, men maskiner tilgjengelig for hobbyer har dukket opp de siste årene, og med dette har billigere harpikser også dukket opp. Når det er sagt, bruker teknikken gloopy kjemikalier med begrenset levetid, så jeg tror ikke det vil helt erstatte FDM i hobbyist sfæren.

SLS: Smelter med lasere

De aller beste 3D-skriverne bruker igjen en laser, men denne gangen med høyere kraft, smelter eller sintrer pulver sammen (sintring er når du varme et materiale nok til å smelte det sammen, men ikke helt nok til å smelte det helt i en væske). 

Disse pulverene kan være plastikkskruer som Nylon, eller til og med metaller, som tillater 3D-utskrift av deler som er egnet for maskiner. Hvis du ser en nyhetsartikkel om Formel 1-racingteam eller rakettprodusenter ved hjelp av 3D-utskrift, vil dette være typen de betyr. Meget høy oppløsning og veldig sterk, men vanligvis ganske dyr. 

Disse maskinene brukes vanligvis som et alternativ til tradisjonelle teknikker og, selv om de er dyre, kan være billigere enn tradisjonelle teknikker for engangspartier eller små produksjonsløp.

SpaceX SuperDraco-rakettmotorer som bruker deler 3D trykt med Inconel superalloy. Image Credit: SpaceX Photos via Flickr

Andre 3D-utskriftsteknologier

Disse tre teknologiene er på ingen måte uttømmende. Du kan få skrivere som legger dråper voks, og produserer en modell som kan støpes i en form for metaller (ofte brukt til smykker). Du kan bruke teknologi som ligner på en blekkskriver over en pose av pulver, for å sette inn et bindemiddel og pigmenter, og lage fargemodeller. Eller en veldig lignende teknologi etterfulgt av glass for å lage keramikk (tallerkener, kopper, etc.). Selv mer spesialiserte 3D-skrivere kan legge ned biokompatible materialer for å skrive ut levende vev til implantasjon, nanoskala gjenstander for å lage små maskiner og gigantiske maskiner byggeseksjoner for arkitektur.

Kunstig Sandstein 3D skulptur. Bildekreditt: EdytaZwirecka via Wikipedia

3D-utskriftsmaterialer

For det bredeste spekteret av materialer, se på en 3D-utskriftstjeneste med en rekke maskiner, for eksempel Shapeways tilbud. Du ser på en rekke plast, metaller og keramikk med forskjellige egenskaper som passer til det du prøver å lage. 

Utmerket, kanskje du tror-jeg trenger ikke å bry meg hvordan det fungerer, så lenge det virker! Men det er fangsten: se på hvert materiale de tilbyr, og du vil se at de alle har forskjellige krav, minimale veggtykkelser, minimum overflate detaljstørrelser, minimumsvilkår, etc. Du vil kanskje finne at du må justere designet ditt for å jobbe med materialet du bruker.
Hvis du går i den andre retningen, får du en hobbyistisk 3D-skriver, du er litt mer begrenset, men ikke så mye som du forventer. Det er en rekke filamenter der ute som nå skal fungere på denne typen maskin. Det er fleksible filamenter, trelignende filamenter, gjennomskinnelige materialer og plast med mange forskjellige egenskaper. 

Vær forsiktig, men disse materialene vil vanligvis trenge litt tinkering med temperaturer og muligens til og med alternative deler i skriveren. De fleste med denne typen maskiner liker å tinker med slike ting, men.

Modeling for 3D-utskrift

Det er to store tilnærminger til 3D modellering: overflate modellering og solid modellering. 

• Overflate modellering representerer vanligvis en gjenstand som punkter, kanter og ansikter. 
• Solid modellering i stedet, som navnet antyder, opprettholder en representasjon av innsiden av objektet. Solid modellering er vanligvis vanskeligere for programmøren å skrive og mer begrensende for designeren å modellere i, og derfor er de fleste modeller som tar sikte på å gjøre bilder fra en 3D-modell, en overflatemodellpakke.

For 3D modellering, kan enten brukes, selv om det er forbehold for det. Husk at programvaren tar sikte på å skjære modellen i seksjoner og må vite hvilken som er innenfor og utenfor de seksjonene. Åpenbart vil en modelleringspakke som representerer objekter som faste stoffer være entydig hvilken er hvilken, men overflate-modellering kan produsere filer der den ikke er så åpenbar. 

Det er en svært streng tilnærming du må ta for å produsere gyldige filer med slik programvare, ganske ulikt den vanlige tilnærmingen for å lage en modell som skal gjengis. Kort sagt må filen være "manifold", dvs. ingen kryssende flater, ingen indre flater, ingen hull og alle svingete sveisene er ikke bare veldig veldig nært. Modellen må være vanntett hvis du har laget den fra plastplater. Prøv å følge denne veiledningen for mer informasjon.

Så med mindre du allerede er dyktig med overflate modellering, vil jeg foreslå å ha en tur med en solid modelleringspakke. Selv om de er mindre uttrykksfulle, er det mindre å gå galt for ditt første forsøk! 

Jeg pleier å bruke Solidworks, men det er ganske dyrt. Heldigvis med fremveksten av 3D-utskrift kommer en tilsvarende spredning av gratis, solid modelleringspakker. Selskapet som produserer AutoCAD, en annen dyr, men veldig kraftig 3D-pakke, tilbyr noen pakker. Av disse er noen av de mest nyttige for dette formålet Tinkercad, en grunnleggende nettleserbasert CAD-pakke, og 123D Design, et offlineverktøy med lignende evner. 

Mitt gratis go-to-verktøy er vanligvis Trimble Sketchup, som er gratis for ikke-kommersiell bruk, men du vil trenge en utvidelse for å få den riktige typen fil.

Uansett hvilket verktøy du bruker, må du typisk ende opp med en eller flere STL-filer. Dette er et veldig grunnleggende filformat, men hva de fleste 3D-utskriftsverktøy vil akseptere.

Produserer din 3D-utskrift

Så du vet noen av teknologiene, du vet noe av programvaren, kanskje du har til og med laget en fil, og du vil bare vite hvordan du får den skrevet ut allerede! Det er noen måter du kan gå her: Du kan investere i en maskin, du kan bruke en 3D-utskriftstjeneste, eller du kan finne et sted å bruke en 3D-skriver. Hver har fordeler og ulemper.

Å kjøpe egen maskin kan være ganske en investering, men mye mindre enn tidligere. Du vil være begrenset til den ene teknologien din bruker, og dermed den ene (eller noen få) materialer som brukes i den teknologien. Forutsatt at du ikke er laget av penger og har vært i stand til å få en profesjonell maskin, må du kanskje dyve inn i den tekniske siden av maskinen din hvis noe må byttes ut eller omkalibreres, selv om mange hobbymaskiner har gode nettsamfunn for å støtte dette. 

Men etter å ha sagt alt det, har du det billigste alternativet per del du vil lage, så hvis du blir tilkoblet, kan du churn out deler til ditt hjerte innhold. Og du kan raskt gjenskape deler - hvis du er noe som meg, og du lager flere deler til å bli sammen, får du noe galt første gang du gjør det!

En modell pågår på Ultimaker, en populær hobbyist 3D-skriver. Bilde kreditt: Maurizio Pesce via Flickr

Et annet alternativ er 3D-utskriftstjenester, enten online eller ditt lokale 3D-utskriftsselskap. Dette har fordelen av ingen upfront kostnad (selv om det er betydelig dyrere per del), og en rekke teknologier og materialer tilgjengelig. Den andre største ulempen ved siden av kostnaden er tid, fordi du må vente på dem for å gjøre det og sende det til deg. Det er noen store tjenester der ute, som Shapeways eller iMaterialise, men handle rundt og finn løsningen som har den beste balansen mellom pris og hastighet for deg.

3D-trykte deler fra Shapeways, en online 3D-utskriftstjeneste. Billedkreditt: Lunatics TV via Flickr

Det tredje alternativet er et halvveis hus mellom disse, men er avhengig av å finne en 3D-skriver du kan bruke lokalt. Maskinens bevegelse har resultert i mange lokale produsentrom, som kan ha maskiner tilgjengelig på bekostning av oppføring og materiale, eller til og med bare noen som er villige til å handle på en maskin for 3D-modelleringsferdigheter for sine prosjekter. Se på det!

Eller du kan gjøre det jeg gjør, og gjør alt dette! Test testmodellene raskt på dine egne maskiner, send filer av for alternative materialer, og bli involvert med lokale beslutningstakere og studenter for å gjøre ting.

Konklusjon

Så du vet nå litt av terminologien, noen av alternativene, og fordelene og ulemperne til hver. Gå frem og 3D skrive ut noe interessant. Pass også på å holde øynene åpne for fremtidige opplæringsprogrammer, og del deg nærmere i noen av detaljene. Hvis du har noen spørsmål, legg dem inn i kommentarene!

For ditt første skritt i 3D-utskrift, hvorfor ikke prøv å bruke en 3D-utskriftstjeneste. Prøv vår veiledning om å lage en 3D-trykt mobilkasse.

Forhåndsvis bilde kreditt: Seth Woodworth via Flickr