3D-printimine: põhimõte, materjalid ja peamised rakendused

3D-printimine: avasta põhimõte, materjalid ja peamised rakendused — kiire, täpne ja taskukohane lahendus prototüüpimisest kodusest trükist tööstuseni.

3D-printimine on tehnoloogia kolmemõõtmeliste objektide valmistamiseks, kus ese ehitatakse üles kiht-kihi haaval. See võimaldab teha keerukaid kujundeid ilma traditsioonilise tootmise töömahukaid vorme või tööriistu kasutamata. Tavaliselt trükitakse sissepritsitava või sulatatud materjali abil, kuid olemas on palju erinevaid printimise meetodeid ja materjalitüüpe.

Põhimõte

Enne printimist luuakse arvutis 3D-mudel (CAD) või kasutatakse olemasolevat digitaalset faili (näiteks STL või OBJ formaat). Slicing-tarkvara jagab 3D-mudeli horisontaalseteks kihtideks ja genereerib juhised (G-kood) printerile. Printimise käigus lisab printer materjali kiht-kihi haaval vastavalt nendele juhistele. Erinevad tehnoloogiad kasutavad sama põhimõtet, kuid materjali deposiidi ja tahkestamise viis erineb:

• Fused Deposition Modeling (FDM/FFF) – sulatatava plastitrossi ekstrudeerimine ja kihiline ladestamine. Kõige levinum kodu- ja tööstuslik meetod.
• Stereolithography (SLA) – vedel resiin tahkestatakse kihtidena UV-kiirguse abil, saavutades väga kõrge detailsuse.
• Selective Laser Sintering (SLS) – pulbriline materjal (nt nailon) sintratakse (kuumutatakse kokku) laseri abil, mis võimaldab keerukaid ja tugevamaid detaile ilma tugistruktuurideta.
• Direct Metal Laser Sintering / DMLS – metallipulbri sintrimine laseri abil, kasutatakse tööstuslikes rakendustes nagu õhusõidukid ja meditsiin.
• Material Jetting / Binder Jetting – materjali või sideaine pritsimine pulbrile, sobib värviliste või keerukate pindade jaoks.

Materjalid

Tavapäraselt kasutatakse 3D-printerites plasti, sest see on lihtne töödelda ja odavam. Levinud plastitüübid koduste ja tööstuslike printerite puhul:

• PLA (polüpiimhape) – biolagunev, kergesti trükitav, sobib algajatele.
• ABS – tugevam ja kuumakindlam kui PLA, kuid nõuab kuuma voodit ja ventilatsiooni.
• PETG – kombinatsioon PLA ja ABS omadustest: tugev, keemikakindel ja kerge trükkida.
• Nailon (PA) – vastupidav, kulumiskindel, sobib tööstusosade jaoks.

Lisaks plastidele trükitakse ka muid materjale:

• Metallid (roostevaba teras, titaan, alumiinium jm) – tööstuslikud ja meditsiinilised rakendused DMLS/DMP-tehnoloogiatega.
• Keraamika – nii kunstilised kui ka funktsionaalsed osad, nõuab sageli küpsetamist pärast printimist.
• Resiinid – SLA prindid kõrge detailsusega mudelite jaoks; on eri omadustega resiine (kovad, elastsed, biokompatible).
• Komposiidid – plastist segatud täiteainetega (nt klaas-, süsinikkiud), et parandada tugevust ja omadusi.
• Bioinkid – biomeditsiinis rakkude ja kudede trükkimiseks veel arenev valdkond.

Peamised rakendused

3D-printimine leiab kasutust paljudes valdkondades:

• Prototüüpimine: insenerid ja disainerid saavad kiiresti katsetada uusi vorme ja funktsioone ilma tootmisliinita. See kiirendab arendustööd ja vähendab kulusid.
• Tootmine ja tööriistad: lühikesed seeriad, kohandatud osad, montaažitööriistad ja paigaldised.
• Meditsiin: kohandatud proteesid, ortoosid, kirurgilised juhikud, implantaatide prototüübid ja laboris trükitavad kudemudelid.
• Autotootmine ja lennundus: kerged ja keerukad komponendid, mis vähendavad massi ja parandavad jõudluse.
• Ehitus: betooni- ja prefabrikaatsete elementide 3D-trükkimine, võimaldab kiiret ja kuluefektiivset ehitamist.
• Kunst ja disain: skulptuurid, ehetest kuni mööblini—3D-print võimaldab unikaalseid vorme.
• Haridus ja kodukasutus: õppematerjalid, mudelid, osad koduprojektide jaoks. Paljud hobi- ja koolikasutajad trükivad kodus väikeseid esemeid ja tarvikuid.

Eelised ja piirangud

• Eelised: suur disainivabadus, kiire prototüüpimine, võimalus toota kohandatud ja keerukaid detaile, väiksem materjalikulu väikese partii puhul.
• Piirangud: printimise kiirus võib olla aeglane suurte objektide puhul; detailitase sõltub tehnoloogiast ja seadistustest; mõned materjalid ja tööstuslikud masinad on kallid; valmisosa nõuab sageli järeltöötlust (lihvimine, värvimine, kuumutamine).

Praktilised nõuanded algajale

• Alusta lihtsa FDM-printeriga ja PLA materjaliga – see on kõige lihtsam ja vähem nõudlik.
• Õpi kasutama slicing-tarkvara (nt Cura, PrusaSlicer) ning mõista parameetreid nagu kihtide kõrgus, täitetihedus ja printimiskiirus.
• Hoolda printerit: voodi tasandamine, otsiku puhtus ja õige temperatuuri seadistus parandavad tulemusi.
• Arvesta toetuste ja järeltöötlusega—keerukate kujude jaoks võib vaja minna tugistruktuure, mis hiljem eemaldatakse ja viimistletakse.
• Tööohutus: ventilatsioon on oluline, eriti resiinide ja mõne plastiga töötades; jälgi materjali tootja ohutusjuhiseid.

Keskkond ja õigus

3D-printimine võib vähendada jäätmeid võrreldes traditsiooniliste töötlusmeetoditega, kuid plastijäätmed ja toetustruktuurid tekivad siiski. On kasvav huvi biolagunevate materjalide ja ringlussevõetavate traatide vastu. Samuti tulevad esile autoriõiguse ja vastutusküsimused: disainide jagamine ja trükkimine võib puudutada intellektuaalomandit ning ohutust (nt relvade trükkimine), mistõttu on oluline järgida seadusi ja eetilisi põhimõtteid.

Tulevik

3D-printimise tehnoloogia areneb kiiresti: paranevad materjalid, kiirem ja täpsem trükkimine ning laiem tööstuslik kasutus. Meditsiinis, ehituses ja tootmises võivad tulevikus üha suuremat rolli mängida kohandatud ja lokaalne tootmine. Samuti laieneb bioprintimine ja funktsionaalsete materjalide kasutus, mis avavad uusi võimalusi teaduses ja meditsiinis.

Alates 2003. aastast on 3D-printerite müük ja materjalide valik oluliselt kasvanud ning seadmete hinnad on langenud, mistõttu on tehnoloogia kättesaadavam nii professionaalidele kui ka hobikasutajatele. Tänu sellele saavad insenerid, disainerid ja entusiastid kiiremini katsetada uusi ideid ning tuua need reaalsusesse.

Kuidas nad töötavad

Modelleerimine

Esimene samm 3D-trükkimisel on selle valmistamine arvutis. Inimesed teevad seda CAD (Computer Aided Design) tarkvara või 3D-skanneriga. Mudelite projekteerimiseks CADis alustavad inimesed põhikujudest ja lähtuvad sellest punktist. 3D-skannerid on masinad, mis võtavad objektist palju mõõtmisi ja teevad arvutis automaatselt mudeli. Need võivad olla väga kiired, kuid on ka kallimad.

CAD-mudelid salvestatakse arvutisse tavaliselt STL-failidena. Need salvestatakse paljude kolmnurkade kujul, mis säästab arvutis ruumi.

Trükkimine

3D-printerid töötavad mitmel erineval viisil. Samuti on palju erinevaid materjale, mida saab kasutada. Igal meetodil ja materjalil on omad eelised ja puudused.

Peamised asjad, millele masina valikul mõelda, on tavaliselt kiirus, kulud ja värv. Printerid, mis töötavad otse metallidega, on üldiselt kallid. Odavamate printeritega saab aga valmistada valuvormi, mida seejärel kasutatakse metallosade valmistamiseks.

Tüüpilised kihid on umbes 100 μm paksused ehk umbes kümnendik inimjuuste paksusest. Prindid võivad võtta aega vähem kui tund kuni mitu päeva, sõltuvalt sellest, kui keeruline ja suur see on.

Lõpetamine

Pärast seda, kui masin on trükkimise lõpetanud, lõpetavad inimesed mõnikord mudeli. See tähendab väikeste paranduste tegemist, et see näeks parem välja. Viimistlemine hõlmab materjali eemaldamist, mille printer paigutas mudeli toetamiseks. See võib mõnikord võtta palju aega. On olemas viise, kuidas seda kiiremini teha, kuid sageli on kõige lihtsam eemaldada plastik käsitsi.

 

Valmis 3D-trükitud kahur


Objekti arvutimudel enne trükkimist


Mängi meediat 3D-printer, mis trükib propelleri. Video on 4 korda kiirem kui päriselus.

Kasutab

DIY

Paljud inimesed üritavad arendada odavaid 3D-printereid, mida inimesed saaksid kodus kasutada. Ka raamatukogud on hakanud ostma väiksemaid 3D-printereid, et inimesed saaksid nendega tutvuda, ilma et nad peaksid neid ise ostma. Palju tööd on teinud nii DIY-kogukonnad kui ka koolid ja häkkerikogukonnad. 2017. aastaks hakkas üha rohkem inimesi kasutama 3D-printimist oma kodus väikeste esemete, näiteks hammasrataste ja väikeste kaunistuste valmistamiseks.

Meditsiiniline

3D-printimist kasutatakse meditsiinitarvikute odavaks valmistamiseks. Inimesed arvavad, et kaks suurimat kasutusala on kuuldeaparaatide ja valehammaste valmistamine.

2014. aasta märtsis kasutasid Swansea kirurgid 3D-trükitud osi, et taastada liiklusõnnetuses raskelt vigastatud mootorratturi nägu.^[]

Tootmine

2014. aastal valmistas üks Rootsi ettevõte superauto, mis kasutab palju 3D-trükitud komponente. Urbee oli esimene auto maailmas, mille kere ja aknad olid 3D-trükitud.

2015. aastal lendas kuninglike õhujõudude Eurofighter Typhoon hävituslennuk 3D-trükitud osadega. Ameerika Ühendriikide õhujõud on alustanud tööd 3D-printeritega ja ka Iisraeli õhujõud on ostnud 3D-printeri varuosade trükkimiseks.

Toiduained

Toitu saab 3D-printida. Palju erinevaid toiduaineid saab printida, näiteks šokolaadi ja komme, aga ka lamedat toitu, näiteks kreekereid, pastat ja pitsaid. NASA trükib toitu, et tekitada vähem jäätmeid ja valmistada toitu, millel on astronautidele kõik vajalikud toitained. 2018. aastal printis Giuseppe Scionti toidu, mis sarnanes lihaga.

Relvad

2012. aastal laadis Defense Distributed internetti üles 3D-prinditud relva failid, mida "igaüks, kellel on 3D-printer, saab alla laadida ja reprodutseerida". Pärast seda, kui Defense Distributed avaldas oma plaanid, olid inimesed mures, et need võivad põhjustada probleeme relvakontrolliga^[] . Aasta hiljem, 2013. aasta mais, palus USA välisministeerium Defense Distributedil plaanid maha võtta, mida nad ka tegid.

Haridus

3D-printimine on suurendanud innovatsiooni ja probleemide lahendamist klassiruumides. Disainiõpilased saavad seda kasutada prototüüpide trükkimiseks sellistes õppeainetes nagu inseneri 3D-printimine; selle demonstratsioonid on juba kasutusele võetud mõnes õppeasutuses üle maailma.

Ajalooline

Viimastel aastatel on 3D-printimist kasutatud selleks, et tagada ajaloost pärit oluliste asjade turvalisus. Paljud muuseumid on ostnud 3D-printerid ja valmistavad tükke oma reliikviate kinnitamiseks. Metropolitan Museum of Art ja Briti muuseum on hakanud kasutama oma 3D-printereid, et teha replikaid, mida müüa kingituspoes. Riiklik sõjaajaloo muuseum ja Varna ajaloomuuseum müüvad internetis oma esemete digitaalseid versioone, mida igaüks saab kodus 3D-printida.

3D-printitud Egiptuse vaarao müügiks Threedingis


3D-printitud suhkrukuubik


3D trükitud mootor


3D trükitud lülisamba ketas

Küsimused ja vastused

K: Mis on 3D-printimine?

K: Milliseid materjale kasutatakse tavaliselt 3D-printimisel?

K: Mis teeb 3D-printerid kasulikuks?

K: Kes kasutab 3D-printereid?

K: Kui kaua on see tehnoloogia juba kasutusel olnud?

K: Kui palju maksab enamik 3d-printereid?

Otsing