3D drukāšana, kas pazīstama arī kā aditīvā ražošana (AM), ir uzlabots ražošanas process, kurā tiek veidoti trīsdimensiju objekti, uzklājot materiālu slāni pa slānim. Atšķirībā no tradicionālās subtraktīvās ražošanas (piemēram, apstrādes), 3D drukāšana var tieši ražot sarežģītas detaļas, kuru pamatā ir digitālie modeļi, piedāvājot tādas priekšrocības kā augsta precizitāte, elastība un augsta materiālu izmantošana. Nepārtraukti attīstoties 3D drukas tehnoloģijai, ir parādījušās dažādas klasifikācijas metodes, kas aptver dažādus liešanas principus, materiālu veidus un pielietojuma scenārijus. Šajā rakstā tiks sistemātiski klasificēta un analizēta 3D drukāšanas tehnoloģija no trim perspektīvām: tehniskie principi, materiālu īpašības un nozares pielietojumi.
I. Klasifikācija pēc formēšanas principa
3D drukas tehnoloģijas pamatā ir tās formēšanas metode. Pašreizējā vispārējā klasifikācija ir balstīta uz starptautisko standartu ISO/ASTM 52900:2015, kas iedala piedevu ražošanas procesus septiņās galvenajās kategorijās:
1. Materiāla ekstrūzija
Materiālu ekstrūzija ir viena no visizplatītākajām 3D drukāšanas tehnoloģijām, ko raksturo kausētā depozīcijas modelēšana (FDM). Šī tehnoloģija izmanto apsildāmu sprauslu, lai izkausētu termoplastiskus materiālus (piemēram, PLA vai ABS) un izspiež to slāni pa slānim, atdzesējot to sacietējot. FDM tiek plaši izmantots izglītībā, prototipu izstrādē un patērētāju ražošanā, pateicoties tā zemajām aprīkojuma izmaksām un vienkāršai darbībai.
2. Fotopolimerizācija
Fotopolimerizācija izmanto UV gaismu vai citus gaismas avotus, lai sacietētu šķidros gaismjutīgos sveķus. Galvenokārt tiek izmantota stereolitogrāfija (SLA) un digitālā gaismas apstrāde (DLP). SLA izmanto lāzerskenēšanu, lai sacietētu sveķus punktu pa punktam, savukārt DLP izmanto projektoru, lai eksponētu visu virsmu, palielinot drukāšanas ātrumu. Šīs tehnoloģijas ir piemērotas tādu detaļu ražošanai, kurām nepieciešama augsta precizitāte un virsmas kvalitāte, piemēram, juvelierizstrādājumu, zobārstniecības modeļu un mikrostrukturētu ierīču ražošanai.
3. Pulvera slāņa saplūšana (PBF)
Pulvera slāņa saplūšana izmanto lāzera vai elektronu staru, lai selektīvi izkausētu metāla vai plastmasas pulveri, to slāni pa slānim saķepinot, veidojot cietu priekšmetu. Selektīvā lāzera saķepināšana (SLS) ir piemērota termoplastiskiem materiāliem, piemēram, neilonam, savukārt selektīvo lāzerkausēšanu (SLM) un elektronu staru kausēšanu (EBM) galvenokārt izmanto metāla detaļu, piemēram, titāna sakausējumu un nerūsējošā tērauda, ražošanai. PBF tehnoloģija tiek plaši izmantota prasīgos lietojumos, piemēram, kosmosa un medicīnas implantos.
4. Materiāla strūkla
Materiāla strūklas drukāšana ir līdzīga tradicionālajai tintes drukāšanai, taču tajā tiek izmantoti šķidri gaismjutīgi sveķu vai vaska{0}}materiāli, kurus pēc tam slāni pa slāņiem sacietē, izmantojot UV gaismu. Šī tehnoloģija nodrošina daudzu-materiālu un daudzkrāsu drukāšanu, un tā ir piemērota augstas-precizitātes prototipiem un mazu-sēriju ražošanai, piemēram, medicīniskiem modeļiem un mikro-mehāniskiem komponentiem.
5. Saistvielu strūkla
Saistvielu strūkliņā izmanto selektīvi izsmidzinātu saistvielu caur sprauslu, lai savienotu pulverveida materiālus, piemēram, metālu, keramiku vai smiltis. Pēc tam materiāls tiek nostiprināts, izmantojot pēc-apstrādi, piemēram, saķepināšanu vai infiltrāciju. Šī tehnoloģija ir piemērota ātrai liešanai, smilšu veidņu izgatavošanai un liela mēroga-metāla detaļu ražošanai.
6. Virzītā enerģijas nogulsnēšanās (DED)
Virzītas enerģijas pārklāšana (DED) izmanto lāzeru vai loku, lai izkausētu metāla pulveri vai stiepli un nogulsnētu to slāni pa slānim. To parasti izmanto detaļu remontam un hibrīda ražošanai, apvienojot piedevas un atņemšanas procesus (piemēram, hibrīda apstrāde). Šī tehnoloģija ir piemērota lielu metāla detaļu remontam un nostiprināšanai, un tai ir svarīgi pielietojumi enerģētikas un kosmosa nozarē.
7. Lokšņu laminēšana
Lokšņu laminēšana ietver plānu materiāla lokšņu (piemēram, papīra, metāla folijas vai polimēra) savienošanu vai metināšanu un pēc tam galīgās formas veidošanu, griežot vai frēzējot. Šīs tehnoloģijas izmaksas ir salīdzinoši zemas, taču tās precizitāte un virsmas kvalitāte ir ierobežota, tādēļ tā ir piemērota īpašiem lietojumiem, piemēram, iepakojumam un arhitektūras modeļiem.
II. Klasifikācija pēc materiāla veida
3D drukas materiālu daudzveidība ir vēl vairāk paplašinājusi tā pielietojuma klāstu. Tos galvenokārt var iedalīt šādās kategorijās:
1. Termoplastika
Šie materiāli, piemēram, PLA, ABS un PETG, ir piemēroti FDM tehnoloģijai un tiek plaši izmantoti prototipu izstrādē, izglītībā un patēriņa preču ražošanā.
2. Gaismas jutīgie sveķi
Izmantojot SLA/DLP tehnoloģiju, tie piedāvā augstas precizitātes un gludas virsmas, padarot tās piemērotas rotaslietām, zobārstniecībai un mikro{0}}iekārtām.
3. Metāla materiāli
Tie ietver titāna sakausējumus, alumīnija sakausējumus, nerūsējošo tēraudu un augstas temperatūras{0}}sakausējumus. Tos galvenokārt izmanto PBF un DED tehnoloģijās, kā arī kosmosa, automobiļu un medicīnas implantos.
4. Keramikas materiāli
Drukāti, izmantojot saistvielu strūklu vai SLA tehnoloģiju, tie ir piemēroti elektroniskām ierīcēm, biomedicīnas ierīcēm un komponentiem, ko izmanto augstas{0}}temperatūras vidēs.
5. Kompozītmateriāli
Šie materiāli, piemēram, ar oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa un metāla matricas kompozītmateriāli, apvieno vairāku materiālu priekšrocības, un tos izmanto augstas veiktspējas -strukturālo daļu ražošanai.
III. Klasifikācija pēc nozares lietojuma
3D drukas tehnoloģijas var arī iedalīt kategorijās, pamatojoties uz to nozares pielietojuma scenārijiem:
1. Ātrā prototipēšana
Tādas tehnoloģijas kā FDM un SLA tiek plaši izmantotas produktu izstrādes sākumposmā, lai ātri pārbaudītu dizaina iespējamību un saīsinātu pētniecības un attīstības ciklus.
2. Direct Digital Manufacturing (DDM)
Metāla PBF un DED tehnoloģijas tiek izmantotas, lai tieši ražotu funkcionālās daļas, piemēram, gaisa kuģu dzinēju lāpstiņas, veidnes un sarežģītas mehāniskās sastāvdaļas.
3. Veselības aprūpe (biomedicīnas lietojumi)
Fotoattēla sveķu un metāla 3D drukāšana tiek izmantota pielāgotai protezēšanai, zobu restaurācijai un audu inženierijas sastatnēm.
4. Arhitektūra un māksla
Liela mēroga-FDM un saistvielu strūklas tehnoloģijas tiek izmantotas, lai izveidotu arhitektūras modeļus, skulptūras un kultūras un radošus produktus.
3D drukāšanas tehnoloģiju var klasificēt dažādos veidos, demonstrējot bagātīgu daudzveidību, sākot no formēšanas principiem, materiālu veidiem un beidzot ar nozares pielietojumiem. Pastāvīgi pilnveidojoties materiālu zinātnē, programmatūras algoritmos un aparatūras iekārtās, 3D drukāšana pakāpeniski pāriet no prototipu izstrādes uz liela mēroga-rūpniecisko ražošanu, kam ir galvenā loma tādās jomās kā veselības aprūpe, aviācija un automobiļu rūpniecība. Nākotnē, attīstot daudzu{5}}materiālu un vairāku-procesu integrācijas tehnoloģijas, 3D drukāšana turpinās veicināt ražošanas nozares pāreju uz viedu un personalizētu ražošanu.
