Hogyan épül fel egy ipari 3D nyomtató, és milyen funkciókat látnak el az alkatrészei – a tengelyek, fogazott szíjak és keretek?

A 3D nyomtatás forradalmasította az ipari gyártást és a prototípusok építését. Ez a technológia rétegről rétegre állítja elő az objektumokat egy digitális modellből. Az alábbi fő összetevőkből áll: A váz, a nyomtatófej, a nyomtatóágy, a vezérlőegység, a tengelyek, a fogazott szíjak és a motorok mellett egy tipikus 3D nyomtató általában számos tartozékot is igényel. De hogyan is működik pontosan egy ipari 3D nyomtató? A jelen cikk kiemeli a legfontosabb összetevők szerkezetét és funkcióját, és röviden megnevez néhány alkalmazási területet.

A 3D nyomtató háromdimenziós objektumokat hoz létre azáltal, hogy rétegről rétegre anyagot visz fel a digitális modell alapján. Ezt additív gyártási folyamatnak is nevezik, mivel a befejezetlen munkadarabhoz fokozatosan anyagot ad hozzá.

A folyamat egy digitális tervezési fájllal kezdődik, amelyet gyakran STL (STL = sztereó litográfia) formátumban adnak át. Ezt betöltik egy speciális szoftverbe, amellyel a 3D modellt átalakítják egy vezérlőfájllá, amely érthető a 3D nyomtató számára. A fájlt a rendszer átalakítja az úgynevezett G-kódra (a G-kód a CNC-gépek programozására szolgáló gépi nyelv). Az adatmodellt egy szeletelő szoftver bontja G-kódú rétegekre vagy vékony vízszintes rétegekre. Ezt a folyamatot szeletelésnek nevezzük.

A nyomtató beolvassa ezt a fájlt, és egymás után kinyomtatja a rétegeket az anyag – gyakran műanyag, gyanta vagy fémpor – rétegről rétegre történő felvitelével és megszilárdításával, amíg az egész tárgy létre nem jön.

A pontos folyamat a nyomtatási technológiától függ, például attól, hogy az anyagot hevítéssel olvasztják-e (FDM) vagy fénynek teszik-e ki (SLA). Jelenleg a következő nyomtatási technológiák állnak rendelkezésre:

• Sztereolitográfia (SLA): Egy vékony szintetikus műgyantaréteget öntenek egy tálcába. Az UV-lézer ezután felfedi a megkötendő területeket. Ehhez a technológiához 3D nyomtatóburkolatot használnak.
• Maszkolt sztereolitográfia (MSLA): Az MSLA nyomtatási folyamat LCD kijelzővel szelektíven világítja meg alulról a szintetikus gyantát. Az LCD-kijelző maszkot képez minden egyes nyomtatási réteghez, így blokkolja az UV-fényt a megadott helyeken. A rétegeket vizsgáló lézersugár helyett az MSLA nyomtatók nagy teljesítményű ultraibolya fényforrást használnak.
• Szelektív lézeres szinterezés (SLS): A nyomdalemezen különböző por alakú anyagokat oszlatnak el, és lézerrel megolvasztják őket. Végül a készterméket meg kell tisztítani a környező portól.
• Fúziós lerakódásmodellezés (FDM): A rétegolvasztási folyamat melegített fúvókával juttatja az anyagot a nyomtatólemezre, ahol megszilárdul.
• Világított objektumok gyártása: Az anyagot rétegenként egymásra ragasztják, majd ezt követően egy vágóeszközzel (lézerrel vagy késsel) modellezik.
• Számított axiális litográfia (CAL): A CAL nyomtatási folyamat a fényt folyékony, fényérzékeny gyantába vetíti, amely gyorsan megszilárdul. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy az objektumokat a lehető legrövidebb idő alatt gyártsák le.

A 3D nyomtató felépítése

Az ipari 3D nyomtatók bizonyos alapösszetevőkkel rendelkeznek, amelyeket a kiválasztott nyomtatási technológia alapján használnak.

A 3D nyomtatókeretek

A keret az összes elektronikus és strukturális 3D nyomtatóalkatrész alapvető szerelési szerkezete, és a kiváló minőségű nyomtatás alapját is képezi. Biztosítja a nyomtató stabilitását és szerkezetét. Minél szilárdabb és merevebb a váz, annál jobb a nyomtatási eredmény. Az ipari nyomtatókban a keretek gyakran robusztus fémötvözetekből készülnek a vibráció minimalizálása és a nagy nyomtatási pontosság érdekében. A MISUMI-nál kiváló minőségű keretösszetevők széles választékát találja, például alumínium kiviteli profilokat, lineáris vezetőkhöz való tartozékokat vagy szöglemezeket.

Tengelyek a 3D nyomtatókban

A fix háromdimenziós térben az ipari 3D nyomtatónak minden pontot el kell érnie, hogy minden elképzelhető formát ki lehessen nyomtatni. Ehhez a következő tengelyek tartoznak:

• X-tengely: Vízszintesen írja le az útvonalat balról jobbra
• Y tengely: Vízszintesen írja le az útvonalat elölről hátrafelé
• Z tengely: Függőlegesen írja le az útvonalat felülről lefelé

A nyomtatófej az X és Y tengely mentén mozog – például fogazott szíjak és léptetőmotorok segítségével.

A függőleges mozgást egy léptetőmotor valósítja meg. A forgómozgást fogazott öv továbbítja egy vezetőcsavarhoz vagy csavarhajtáshoz. A Z-tengely lökete határozza meg az alkalmazott anyagréteg vastagságát.

Az egyes átviteli összetevők pontossága döntő fontosságú a nyomtatni kívánt objektum minősége és méretpontossága szempontjából.

A 3D nyomtatók (FDM) nyomtatófeje (extrudere)

Az extruder a fűtőszálat (nyomtatott anyagot) a nyersanyagforrásból, pl. egy fűtőszáltekercsből egy fűtőegységgel és hőmérséklet-monitorozással ellátott fűtőblokkba szállítja. Ezt a területet forró végnek is nevezik. A cseppfolyósított fűtőszál ezen a csatornán keresztül jut el a fúvókához (fúvóka), és a nyomtatólemezre kerül.

A szálaknak az extruderen keresztül történő szállításának különböző típusai vannak. Íme néhány a leggyakoribb típusok közül:

• Közvetlen hajtás (közvetlen hajtású extruder): Ennél a módszernél a motor közvetlenül behúzza a fűtőszálat az extruderbe, ahol a fűtőblokkba szállítja. A motor a fúvóka közvetlen közelében található, ami pontosabb anyagfelhordáshoz vezet. Ezt a módszert gyakran használják asztali 3D nyomtatókban.
• Bowden-extruder: A közvetlen meghajtással ellentétben a Bowden-extrudernél a motor nincs közvetlenül az extruderen. A fűtőszál rugalmas csövön (Bowden-cső) keresztül jut az extruderbe. Ez csökkenti az extruder súlyát, ami pozitív hatással lehet a nyomtatási minőségre. A fűtőszál-átadás pontossága azonban ennél a módszernél kissé romolhat.

Mindkét változat több nyomtatófejjel is felszerelhető, így különböző anyagok és színek dolgozhatók fel. Ha a 3D nyomtató szál helyett port használ, akkor általában nincsenek extruderek; ehelyett tekercsek szolgálnak az anyagnak a nyomtatóágyra való felvitelére.

Nyomtatóágy (építőlemez) a 3D nyomtatókban

Az objektum rétegről rétegre épül fel a nyomtatóágyon. Az anyag jobb tapadása, az anyag deformálódásának elkerülése és a jobb felületi kidolgozás elérése érdekében melegíthető. A nyomtatóágy anyaga szintén befolyásolja a tapadást. Az üveg, kerámia vagy öntött alumínium lemezek különösen alkalmasak itt. A végtermék eltávolítását eltávolítható lemezek is megkönnyíthetik.

Vezérlőegység a 3D nyomtatókban

A vezérlőegység vezérli a teljes nyomtatási folyamatot. A 3D nyomtató kalibrálására is használható. A nyomtatási hibák elkerülése érdekében kulcsfontosságú a kalibrálási folyamat. Az egyenetlen nyomtatóágy vagy a helytelenül beállított fúvókák jelentősen befolyásolják a végtermék minőségét.

A vezérlőegységnek STL vagy más fájlformátumból kell értelmeznie a digitális 3D modelladatokat. Ebből a célból a vezérlőegység szeletelő szoftvert használ a 3D modell vízszintes rétegek (szeletek) sorozatára való felosztásához. Többek között a rétegmagasságra, a fúvókanyílás átmérőjére (fúvókaméret), a nyomtatási paraméterekre, a nyomtatási anyag kilökődésére, a nyomtatófej hőmérsékleteire és szerszámútvonalaira, valamint az ebből eredő G-kódra vonatkozó információk jönnek létre.

A vezérlőegység vezérli a 3D nyomtató meghajtóit a nyomtatófej és a nyomtatóágy pontos mozgatása céljából. A G-kódban meghatározott mozgásokat konvertálja, figyelembe véve a sebességet, a gyorsulást és a lassulást.

A vezérlőegység vezérli a nyomtatási anyagot, például fűtőszálat felhevítő extrudert, és egyenletesen felviszi azt az építőlapra, hogy biztosítsa az anyag egyenletes eloszlását. A 3D nyomtatóban, az extruderben és a fűtőelemekben a hőmérséklet monitorozva és szabályozva van.

A vezérlőegység természetesen figyelemmel kíséri a nyomtatási folyamatot, hogy nincsenek-e benne hibák és szabálytalanságok, és ennek megfelelően reagál minden problémára, például az anyag elakadására vagy a túlmelegedésére.

A grafikus felhasználói felület (GUI) interfészként szolgál a felhasználó számára a nyomtatási folyamat elindításához, a beállítások módosításához, a nyomtató vezérléséhez, valamint az állapotüzenetek fogadásához és az ennek megfelelő interakcióhoz. Ezt kijelző vagy érintőképernyő révén lehet megtenni.

A vezérlőegység interfészeken keresztül kommunikál a külső eszközökkel a nyomtatási feladatok fogadása és az adatcsere érdekében.

Tengelyek a 3D nyomtatókban

A tengelyek továbbító elemként és vezető alkatrészként szolgálnak az alkatrészek, az anyag, a nyomtatófejek és más fontos alkatrészek mozgatásához.

Ha a tengelyeket továbbító elemként használják, a mozgás a meghajtóforrásból a kimeneti oldalra kerül. Ez például motorral, szíjtárcsákkal és fogazott szíjtárcsákkal, szíjakkal, láncokkal, tengelykapcsolókkal, fogaskerekekkel vagy egyéb elemekkel kombinálva történik.

Egyes 3D nyomtatók a hagyományos csavarvezetők helyett golyóscsavaros hajtásokat használnak. A golyóscsavaros hajtások pontosabbak, és kisebb a súrlódásuk, mint a hagyományos csavarvezetőknek. Ez pedig még nagyobb nyomtatási pontosságot eredményez.

Vezetőelemként a tengelyek lehetővé teszik a nyomtatófej vagy a nyomtatóágy pontos mozgását különböző irányokban. Általában hengeresek, és robusztus anyagokból készülnek a pontosság és tartósság érdekében. A tengely általában sima, és nagy felületi pontossággal rendelkezik, hogy lehetővé tegye az alacsony súrlódású mozgást. A tengely vezetése és a mozgás lehetővé tétele érdekében speciális lineáris csapágyakat vagy lineáris vezetőket szerelnek a tengelyre.

Fogazott szíjak a 3D nyomtatókban

A fogazott szíjak a motorok forgómozgását a nyomtató mozgó részeinek lineáris mozgásává alakítják. Például a nyomtatófejek az X és Y tengely mentén mozognak. Döntő szerepet játszanak a nyomtatási folyamat sebességében és pontosságában. A stabil illeszkedés és a hibátlan minőség kulcsfontosságú. Ellenkező esetben olyan visszhangok keletkezhetnek, amelyek torzítják a végterméket. A fogazott szíjak általában elasztomer anyagokból készülnek, amelyekbe az erő pontos átvitelének lehetővé tétele érdekében fogerősítéseket helyeznek el.

A MISUMI különböző fogazott szíjakat, tengelyeket és egyéb tartozékokat kínál lineáris és forgó mozgásokhoz egyaránt. Garantáltan megtalálja az adott alkalmazáshoz tartozó összetevőt.

Motorok a 3D nyomtatókban

A motorok kulcsfontosságú szerepet játszanak a nyomtatófej és a nyomtatóágy mozgatásában és pozicionálásában. A 3D nyomtatókban különböző típusú motorokat használnak, amelyek mindegyike konkrét feladatokat lát el. Íme néhány a 3D nyomtatókban leggyakrabban előforduló motorok közül:

• Léptetőmotorok: Ezek a különböző tengelyek mentén precíz lépésekben mozgatják a nyomtatófejet és a nyomtatóágyat.
• Szervomotorok: Nagy sebességet és pontosságot kínálnak, és ott használhatók, ahol pontos vezérlésre van szükség.
• Egyenáramú motorok: Például görgők működtetésére szolgál.
• Extrudermotorok: A nyomtatási anyag extrudálásáért felelnek.

Az ipari 3D nyomtatás a következő anyagkategóriákat használja: fűtőszál, gyanta és por. A fűtőszál egy hosszú, keskeny szál, amely különböző műanyagokból, pl. PLA-ból vagy nejlonból áll. Tekercsekre feltekerve, és főként az FDM nyomtatási folyamat során használják.

Az egyes rétegek láthatóságának minimalizálása érdekében szálanyagok használata esetén a paraméterek a szeletelő szoftver beállításaiban módosíthatók. További felületkezelésre, például csiszolásra, feltöltésre, bevonatolásra, festésre vagy különböző hegesztési módszerekre lehet szükség.

A poralapú nyomtatási módszerek lehetővé teszik összetett geometriák és funkcionális alkatrészek előállítását. Például fém-, műanyag- vagy kerámiaporok használhatók anyagként.

A gyantákkal végzett nyomtatási folyamat folyékony gyantákat használ, amelyek UV-fény vagy lézersugarak hatására keményednek meg a nyomtatási rétegek felépítése érdekében.

Különféle gyantaanyagok állnak rendelkezésre, amelyek számos tulajdonsággal rendelkeznek, például keménységgel, rugalmassággal, hőmérséklettel szembeni ellenállással és átlátszósággal. Ez az anyag nagyon jól használható, ha a nyomtatási objektum precíziót és pontos részleteket igényel.

A 3D nyomtatók lehetséges felhasználásai

A 3D nyomtatás nagyon rövid idő alatt meghódította életünk számos területét, beleértve a gépészetet, az egyedi gépépítést és a prototípus-építést. Az alkatrészek gyártásának gyors átfutása különösen érdekes számos ipari vállalkozás számára. Nemcsak a hosszú távú tárolóhely csökkenthető, hanem a változó körülmények és a speciális alkalmazások is proaktívan kezelhetők.

A 3D nyomtatók használata gyors prototípus-készítés révén felgyorsíthatja a termékfejlesztést.

Az összetett geometriák létrehozásának képessége lehetővé teszi a tervek és formák gyors hozzáigazítását a jelenlegi K+F koncepciókhoz.

Ez lehetővé teszi a tervezési hibák és problémák korai felismerését és kijavítását még a tömeggyártás megkezdése előtt.

Bizonyos esetekben maga a prototípus mintaként szolgálhat a tömeggyártáshoz, különösen a kis mennyiségű gyártásnál vagy az egyénre szabott termékeknél.