Loading...

Blog

Latest blog posts

Lino 3D: Τρισδιάστατη εκτύπωση

Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing) είναι μια μέθοδος προσθετικής κατασκευής στην οποία κατασκευάζονται αντικείμενα μέσω της διαδοχικής πρόσθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού. Στη τρισδιάστατη εκτύπωση μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι τύποι υλικού, κυρίως κεραμικά και πολυμερή.

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές χρησιμοποιούνται κυρίως για την κατασκευή φυσικών μοντέλων και πρωτοτύπων από σχεδιαστές, μηχανικούς και ομάδες ανάπτυξης νέων προϊόντων, έχουν τη δυνατότητα να εκτυπώνουν μέρη και εξαρτήματα από διάφορα υλικά με διαφορετικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες και συχνά σε μια ενιαία διαδικασία κατασκευής.

Πώς λειτουργεί η 3D εκτύπωση;

Αρχικά θα πρέπει να έχουμε ένα 3D-μοντέλο. Αυτό είναι ένα ψηφιακό σχέδιο, σε μορφή αρχείου (file format)  STL ή OBJ που είναι τα συνηθισμένα και τα οποία δημιουργούνται είτε από εφαρμογή CAD ή με τη χρήση ενός 3D-σαρωτή ή ακόμα και από ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού.Η 3D εκτύπωση  αφορά στη δημιουργία ενός πραγματικού αντικειμένου στον τρισδιάστατο κόσμο μας μέσα από διάφορες μεθόδους. Αυτό που χρειάζεται για να πραγματοποιηθεί είναι : ένας 3Dεκτυπωτής, το υλικό για την κατασκευή και ένα ψηφιακό μοντέλο 3D (ηλεκτρονικό αρχείο). Το τελικό αντικείμενο δημιουργείται με την αλλεπάλληλη εναπόθεση στρωμάτων του υλικού εκτύπωσης, το ένα πάνω στο άλλο.

Σε μια διαδικασία που ονομάζεται fix–up το αρχείο προς εκτύπωση ελέγχεται για πιθανά σφάλματα. Στη συνέχεια, το αρχείο υπόκειται σε μια επεξεργασία όπου έχει σαν αποτέλεσμα  τον τεμαχισμό του μοντέλου σε μία σειρά από λεπτές στρώσεις. Τέλος, το αρχείο αναλύεται σε «οδηγίες» για ένα συγκεκριμένο 3D εκτυπωτή και αποστέλλεται στο μηχάνημα όπου θα ξεκινήσει δημιουργία του αντικείμενου σε στρώσεις. Τα στρώματα αυτά είναι εξαιρετικά λεπτά (τυπικά 0,1 χιλιοστά ή και λιγότερο) και όσο λεπτότερες είναι οι στρώσεις, τόσο λιγότερο φαίνονται οι διατομές στο τελικό αντικείμενο. Πάντως, σε μερικές περιπτώσεις, ένα τελικό φινίρισμα απαιτείται προκειμένου να απομακρυνθούν μικροατέλειες και να βελτιωθεί με γυάλισμα η επιφάνεια.

 

Κατασκευή ενός αντικειμένου σε στρώσεις

Η λειτουργία των τρισδιάστατων εκτυπωτών βασίζεται στην κατασκευή ενός αντικειμένου σε στρώσεις. Η τρισδιάστατη εικόνα του αντικειμένου δημιουργείται με απευθείας χρήση λογισμικού CAD, ή ακόμα με επεξεργασία εικόνας που έχει ληφθεί με 3D Scanner, ψηφιακή κάμερα, Αξονική ή Μαγνητική τομογραφία κτλ. Στη συνέχεια, το τρισδιάστατο μοντέλο μετατρέπεται σε αρχείο τύπου .stl (Standard Tessellation Language) το οποίο αντιλαμβάνεται ο εκτυπωτής. Το αρχείο αυτό περιγράφει το μοντέλο με προσέγγιση της επιφάνειάς του από τρίγωνα στον τρισδιάστατο χώρο (mesh triangles). Όσο περισσότερα και μικρότερα τρίγωνα, τόσο καλύτερη η προσέγγιση του μοντέλου. Τα αρχεία .stl περιέχουν πληροφορίες μόνο για την επιφάνεια του αντικειμένου και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην τρισδιάστατη εκτύπωση. Υπάρχουν, όμως, και άλλοι τύποι αρχείων, όπως το .obj, που περιλαμβάνουν δεδομένα για το χρώμα και την υφή του αντικειμένου.

Ακολουθεί ο Slicer που “κόβει” το μοντέλο σε επίπεδα με επιθυμητό πάχος(π.χ. 100μm) παράγοντας τον κώδικα G-Code που περιέχει τις πληροφορίες κάθε επιπέδου του αντικειμένου καθώς αυτό εκτυπώνεται, όπως έχει ήδη αναφερθεί, ανά επίπεδο. Ο G-code αποστέλλεται στο πρόγραμμα που επικοινωνεί με τον εκτυπωτή και ξεκινά η εκτύπωση. Πολλές φορές ο Slicer συμπεριλαμβάνεται στο πρόγραμμα επικοινωνίας.

Η εκτύπωση μπορεί να διαρκέσει από μερικά λεπτά μέχρι αρκετές ώρες ανάλογα με το μέγεθος του προς κατασκευή αντικειμένου και την μέθοδο που εφαρμόζεται. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τις υπάρχουσες τεχνολογίες είναι διάφορα ήδη πλαστικών και μετάλλων, γυαλί, χαρτί, πηλός, φωτοπολυμερή, άμμος, κερί, ανθρώπινος ιστός ή ακόμα και φαγητό. Μόλις ολοκληρωθεί η εκτύπωση, μπορεί να χρειάζεται φινίρισμα, όπως για παράδειγμα αφαίρεση του περιττού υλικού ή των στηριγμάτων που έχουν τοποθετηθεί για να μην διαλυθεί το αντικείμενο κατά την κατασκευή, το οποίο εξαρτάται από την μέθοδο που χρησιμοποιήθηκε.

 

Οι πιο δημοφιλείς μέθοδοι 3D εκτύπωσης

Η μέθοδος που χρησιμοποιείται από τους περισσότερους επιτραπέζιους 3D εκτυπωτέςείναι γνωστή ως Εναπόθεση Λιωμένου ΥλικούFused Deposition Modeling – FDM). Στην τεχνική αυτή, μία θερμαινόμενη κεφαλή σε σχήμα σωληνάριου χρησιμοποιείται για να λιώσει το υλικό εκτύπωσης και να το εξωθήσει μέσω μιας κεφαλής (ακροφύσιο). Το υλικό, συνήθως κάποιο είδος πλαστικού, μερικές φορές πορσελάνη ακόμη και πηλός, τροφοδοτείται με τη μορφή λεπτού νήματος.

 

Υπάρχουν και άλλες μέθοδοι «εκτύπωσης» όπου χρησιμοποιούνται διαφορετικά υλικά. Η βασική αρχή παραμένει λίγο πολύ η ίδια σε όλες τις τεχνικές: Το αντικείμενο είναι χτισμένο στρώμα-στρώμα από τη βάση προς την κορυφή.

 FDM: Fussed Deposition Modeling

Στη μέθοδο αυτή, το υλικό σε μορφή νήματος περνά από έναν εξωθητή (extruder), o οποίος έχει τέτοια ροπή ώστε να περνάει συγκεκριμένη ποσότητα υλικού. Το νήμα εισέρχεται σε ένα μπλοκ υψηλής θερμοκρασίας όπου το υλικό λιώνει και, έπειτα, περνά από μία κεφαλή υψηλής θερμοκρασίας, και εναποθέτει το λιωμένο υλικό σε στρώσεις. Μόλις εκτυπώνεται ένα επίπεδο, η πλατφόρμα κατεβαίνει προς τα κάτω για να πάει στο επόμενο επίπεδο.

Και στο FDM μπορεί να χρειάζεται στήριξη του αντικειμένου εάν υπάρχουν κομμάτια που εξέχουν στον αέρα. Για τον λόγο αυτό, υπάρχουν δύο κεφαλές. Η μία εναποθέτει το υλικό κατασκευής και η άλλη ένα υλικό στήριξης. Μόλις ολοκληρωθεί η κατασκευή το υλικό να βυθίζεται σε διαλυτικό ή βρέχεται με νερό υπό πίεση για να φύγει το υλικό στήριξης, αν αυτό είναι υδατοδιαλυτό. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σταθερά στηρίγματα, τα οποία μετά σπάνε και αφαιρούνται. Η μέθοδος FDM είναι η πιο δημοφιλής και χρησιμοποιείται, μάλιστα, στους εκτυπωτές Reprap. Αυτό οφείλεται στο χαμηλό κόστος κατασκευής εκτυπωτών που υλοποιούν αυτή τη μέθοδο και των υλικών που χρησιμοποιούνται. Τα υλικά αυτά είναι διάφορα θερμοπλαστικά, μέταλλα, χαρτί, κερί, βρώσιμες ουσίες, ανθρώπινος ιστός, τσιμέντο κ.ά.

 SLS: Selective Laser Sintering

 SLS: Selective Laser Sintering – Στην επιλεκτική πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ χρησιμοποιείται λέιζερ, ώστε να λιώσουν επιλεκτικά κόκκοι από κονιοποιημένο υλικό (π.χ. μέταλλο) και στη συνέχεια να ενοποιηθούν σε ένα στρώμα, για το σταδιακό χτίσιμο του τελικού αντικειμένου. Το λέιζερ στοχεύει σε σημεία που ορίζονται από το ηλεκτρονικό αρχείο του 3D σχεδίου. 

Συγκεκριμένα:

Αρχικά, έχουμε μία δεξαμενή γεμάτη με το υλικό που επιθυμούμε να χρησιμοποιήσουμε σε μορφή σκόνης (δεξαμενή στα δεξιά της εικόνας). Επίσης, υπάρχει μία πλατφόρμα κατασκευής, η οποία βρίσκεται σχεδόν στην επιφάνεια μίας δεύτερης δεξαμενής, αφήνοντας τόσο πάχος όσο είναι το κάθε επίπεδο εκτύπωσης. Ένας κύλινδρος περιστρέφεται και σπρώχνει μέρος της σκόνης προς την πλατφόρμα κατασκευής. Το υλικό που απομένει πάνω στην πλατφόρμα αφού περάσει ο κύλινδρος αποτελεί την πρώτη στρώση του υπό κατασκευή αντικειμένου. Ένα τυπικό πάχος της στρώσης είναι 100μm.

Έπειτα, παράγεται μία δέσμη φωτός, η οποία οδηγείται στα σημεία που πρέπει να εκτυπωθούν με την βοήθεια ενός καθρέφτη. Η δέσμη θερμαίνει το υλικό με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα ενιαίο κομμάτι. Αφού ολοκληρωθεί η μία στρώση, η δεξαμενή με την σκόνη ανεβαίνει προς τα πάνω για να πάρει επιπλέον σκόνη ο κύλινδρος, ενώ η πλατφόρμα κατασκευής κατεβαίνει προς τα κάτω για να εναποτεθεί επάνω της το υλικό για την επόμενη στρώση.

Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία αφαιρείται η περιττή σκόνη από το αντικείμενο, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε επόμενη εκτύπωση. Κατά την εκτύπωση, δεν χρειάζονται στηρίγματα αφού η ίδια η σκόνη λειτουργεί σαν στήριγμα. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως διάφορα μέταλλα και μίγματά τους, καθώς και θερμοπλαστικά ή κεραμικά. Στην SLS τεχνολογία, το υλικό θερμαίνεται από την δέσμη τόσο ώστε να ενωθούν μεταξύ τους τα μόρια της σκόνης χωρίς να λιώνει πλήρως, Με την τεχνολογία SLS είναι δυνατό να ελεγχθεί η πυκνότητα του τελικού αντικειμένου πράγμα ιδιαίτερα χρήσιμο όταν χρησιμοποιείται μίγμα διαφορετικών υλικών.

 SLA: Stereolithography

SLA: Stereolithography – Στη στερεολιθογραφία το μοντέλο χτίζεται στρώμα – στρώμα με τη χρήση υγρής ρητίνης η οποία στερεοποιείται αν εκτεθεί σε συγκεκριμένο φωτισμό (UV-laser ή ψηφιακό προβολέα).

Η στερεολιθογραφία επιτυγχάνεται μέσω του φωτοπολυμερισμού πολύ λεπτών στρώσεων, ειδικών για 3D εκτύπωση, υγρών ρητινών. Οι ρητίνες αυτές έχουν τη ξεχωριστή ιδιότητα να στερεοποιούνται όταν εκτίθενται σε υπεριώδη ακτινοβολία. Με αυτό τον τρόπο παίρνει μορφή και ενσωματώνεται η κάθε μια στρώση πάνω στην άλλη σχηματίζοντας το φυσικό αντίγραφο του ψηφιακού 3D μοντέλου.

Η στερεολιθογραφία παράγει αντικείμενα εξαιρετικής ποιότητας, ακρίβειας και λεπτομέρειας σε τέτοιο βαθμό ώστε τις περισσότερες φορές είναι δύσκολο να διακρίνουμε εάν το αντικείμενο είναι το τελικό προϊόν και όχι ένα εκτυπωμένο πρωτότυπο. Η επιλογή της ρητίνης που θα χρησιμοποιηθεί προσδίδει στο αντικείμενο συγκεκριμένα χαρακτηριστικά όπως δυνατότητα χύτευσης, αυξημένη αντοχή, ελαστικότητα κοκ.

Αναλυτικότερα:

Στην στερεολιθογραφία χρησιμοποιείται υπεριώδης ακτινοβολία ώστε να στερεοποιήσει το υγρό φωτοπολυμερές υλικό και να κατασκευαστεί το επιθυμητό αντικείμενο. Μία δεξαμενή γεμίζεται με το φωτοπολυμερές υλικό και η βάση τοποθετείται σχεδόν στην επιφάνεια του υγρού, αφήνοντας να καλυφθεί από το υλικό που αντιστοιχεί στο πρώτο επίπεδο. Το σύστημα παράγει μία δέσμη υπεριώδους ακτινοβολία που μόλις πέσει πάνω στο φωτοπολυμερές υλικό, το στερεοποιεί.

Η δέσμη πέφτει στα σημεία που υποδεικνύει ο G-code και έπειτα η βάση κατεβαίνει πιο κάτω, δηλαδή στο επόμενο επίπεδο, και επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία μέχρι να κατασκευαστούν όλα τα επίπεδα του αντικειμένου. Το υλικό κάθε επιπέδου ενώνεται με το προηγούμενο επίπεδο καθώς στερεοποιείται.

Καθώς το αντικείμενο κατασκευάζεται μέσα σε υγρό, χρειάζεται κάποια στήριξη. Αφού ολοκληρωθεί η εκτύπωση, η στήριξη αφαιρείται και το αντικείμενο βυθίζεται σε διαλυτική ουσία ώστε να καθαριστεί από το εναπομείναν υγρό υλικό. Τέλος, μπαίνει σε φούρνο υπεριώδους ακτινοβολίας για να στερεοποιηθεί πλήρως.

Η μέθοδος αυτή χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια και ανάλυση. Ενδείκνυται, κυρίως, για κατασκευή μικρών αντικειμένων επειδή χρειάζεται αρκετό χρόνο για να ολοκληρωθεί η διαδικασία, αφού η ακτινοβολία πέφτει σε ένα μικρό τμήμα του αντικειμένου κάθε φορά. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι φωτοπολυμερείς ρητίνες.

 


Συνέχεια στο επόμενο τεύχος:  Εφαρμογές τρισδιάστατης εκτύπωσης