Az additív gyártás (AM) alkalmazhatósága határok nélküli. Az AM korábban a prototípusgyártás, illetve a gyártás-előkészítés folyamatában jelent meg. A kész mesterrajzok vizualizációjával, majd kézzelfogható nyomatokkal tette lehetővé a tervezőmérnökök számára, hogy a kész terméket a gyártásba kerülés előtt valós formájában megvizsgálják, beillesszék más folyamatokba, és fizikai teszteket végezhessenek rajta. Ez a lehetőség korábban teljesen elképzelhetetlen volt a repülőgépgyártásban, a fogászati beavatkozásoknál, a divatiparban vagy az építészeti tervezésben.
Míg a nyomtatott rétegek egymásra illesztése, azaz maga a nyomtatás elmélete viszonylag egyszerű alapokra épül, a hozzá való eszközök, kellékek magas szintű ismereteket és technikai tudást kívánnak. A jövő 3D-s nyomtatási technológiájához szervesen hozzátartozik majd az ember közelibb 3D-s gyors prototípusgyártás vagy szerszámtervezés, az iparban személyre szabott 3D-s nyomtatótechnológia alkalmazása a legkülönfélébb területeken, a nagy sorozatú gyártás megvalósításának lehetősége és akár az emberi szövetek nyomtatása. Ha csak a gyakorlatban létező, biokompatibilis anyagú, beültetésre alkalmas 3D-s nyomtatott fület tekintjük, bátran kijelenthetjük: mára már túl is léptünk a holnap tegnapján.
Sokan úgy látják az AM technológiát, mint a megmunkálás jövőjét, ahol az anyag eltávolítása helyett a tömeggyártásban 3D-s nyomtatókkal dolgoznak a fenntartható fejlődés jegyében, egy olyan világban, ahol a feldolgozóipar nem termel selejtet. Vegyük például a fémforgácsolást, ahol az anyag körbemarásával rengeteg fémhulladék képződik, amelyet el kell szállítani vagy megsemmisítésre, vagy újrahasznosításra. Ha 3D-s nyomtatóval állítjuk elő munkadarabjainkat vagy funkcionális kész termékeinket, energiát spórolunk, nem beszélve az elkerülhető környezetszennyezésről.
Legismertebb 3D-s nyomtatási eljárások
SLA (sztereolitográfia) Rendkívül fejlett technika, fotopolimer gyantarétegeket olvaszt lézeresen össze (a fotopolimer gyanta olyan anyag, amely fényre megváltoztatja anyagszerkezetét, megszilárdul). A lézersugár a 3D-s modell kontúrját követve megszilárdítja a kontúrvonalon elhelyezkedő gyantamolekulákat, rétegenként felépíti a 3D-s nyomatot, egészen a kívánt forma eléréséig.
FDM (fused deposition modeling) Folyamatorientált termoműanyag (megváltozik egy bizonyos hevített folyadék hozzáadásával, hűtés hatására pedig megkeményedik) felhasználásával megy végbe. Fúvókákon keresztül kerül az öntési térbe a fröccsöntészeti anyag. Ebben a technológiában az öntészeti fúvókák pozicionálása követi a 3D-s modell kontúrját a termoműanyag felhordásához a következő réteg számára.
MJM (multi jet modeling) Hasonló az inkjet eljáráshoz. Olyan nyomtatófejet használ, amely képes a háromtengelyes oda-vissza pozicionálásra, több száz jetfejet foglal magába a termopolimer réteg rétegenkénti összeolvasztására.
3DP (3D printing) A modellt egy olyan tartályban gyártja le, amely egyszerre tartalmazza a keményítő- és kötőanyagot is. Az inkjet printer fejgondolái csupán kis mennyiségű kötőanyagot spriccelnek rétegenként. A kötőanyag felhordásával párhuzamosan az új réteget ráhúzzák az előzőre, amelyet a kötőanyag szilárdít meg. A folyamat addig ismétlődik, amíg a 3D-s nyomtatás tart. A kész modell környezetét könnyen eltávolítható por tölti ki, nem használnak vivőanyagot. Ez az egyetlen módszer, amely színes 3D-s nyomatokat eredményez.
SLS (selective laser sintering) Hasonló az SLA-hoz, nagy erejű lézert fókuszál kisméretű műanyag, fém-, kerámia- vagy üvegrészecskék összeolvasztására. A gyártási ciklus alatt a munkaasztalt süllyesztik le az új réteg felhordása előtt. A munkaasztal x és y irányban is képes elmozdulni. A rétegvastagság 10 mikron, a tárgyasztalt addig süllyesztik, amíg az összes réteget egymásra nem szinterezik, és elő nem áll a teljes a 3D-s nyomat.
Szkennelés és nyomtatás nanométeres tartományban
A közelmúltban hatalmas áttörést értek el a Bécsi Műszaki Egyetem tudósai az úgynevezett kétfoton-litográfiás eljárással a 3D-s nyomtatás területén. Az áttörés elsősorban a korábban használt technológia felgyorsításában történt, ami olyan új területeket nyit meg a nano-3D-s nyomtatás felé, mint például a gyógyszergyártás vagy a nagyméretű gépalkatrészek prototípusainak gyártása.
A nano-3D-s nyomtatás olyan kötőanyagot használ, amelyet fókuszált lézersugárral szilárdítanak meg. A lézerfókuszt kitéríthető tükrök segítségével pozicionálják szilárd polimeralapú hordozón csupán néhány száz nanométeres területen, ami lehetővé teszi homokszemcse-méretű „3D-s szobrok” létrehozását. A nyomtatás sebessége a korábbi módszerekkel a másodpercenkénti milliméteres nagyságrendbe esett, a mostani áttöréssel ezzel szemben 5 méteres nyomtatási sebességet értek el egy másodperc alatt, ami világrekordnak számít a kétfotonos litográfiában (litográfia: 3D-s nyomtatás 150 nm hullámhosszúságú tartományban).
Az újfajta 3D-s nyomtató megalkotásához eddig nem létező módszereket kellett kidolgozni, mint például a félig áteresztő tükrök vezérlése és mozgatása. A gyorsítási és lassítási periódus rendkívül finom hangolására volt szükség az új sebességrekord felállításához. A 3D-s nyomtatás nem csupán a mechanikai tervezésről szól, kémiai módszereket is alkalmaz: a vivőréteg olyan molekulákat tartalmaz, amelyeket a lézersugár aktivizál, megindítva a láncreakciót az anyagszerkezet többi összetevőjében, a monomerekben, így megszilárdítva a nyomtatandó 3D-s felületet. Az aktiválómolekulák csak akkor lépnek működésbe, ha egyszerre két lézersugár-fotonnyalábot nyelnek el, ezért hívjuk ezt a módszert kétfotonos litográfiának (nyomtatásnak). Ez a kétfotonos láncreakció egyedül a lézersugár fókuszában jön létre, ahol az intenzitás a legmagasabb.
Gyártásfejlesztéshez 3D-s mérő- és digitalizálókar
Összehasonlítva a hagyományos 3D-s nyomtatási technológiákkal, az új fejlesztéssel bárhol folytathatjuk a 3D-s nyomtatást a munkadarab szabad felületén, míg korábban egybefüggő, maximum 7 µm vastagságú, függőleges elhelyezkedésű sík nyomatokból építették fel rétegenként a 3D-s munkadarabot. A 3D-s prototípus alapját mindkét módszer esetén többek között a Metris 3D kínálatában szereplő szkennerekből nyert pontfelhő és az abból készült testmodell vagy paraszolid adja.
Autóipari minőségbiztosítást, geometriai mérést, ellenőrzést is végző 3D-s CMM koordinátamérő gépre szerelt Nikon Metrology lézerszkennerekkel legalább ±2,5 μm pontmérési pontossággal, nagy sebességű (100 000 pts/s) szkennelések készülnek szinte bármilyen felületről, fémről, műanyagról színtől és reflektivitástól függetlenül. Az így nyert pontfelhőből néhány kattintással 3D-s testmodell lesz, amelyből a 3D-s nyomtató kézzel fogható prototípust nyomtat különböző szilárdságú anyagokból.
Ezek a funkcionális munkadarabok képezik a prototípusgyártás alapját, ahol fizikai valójukban tesztelhetők, mérhetők, vizsgálhatók a különböző szerelt alkatrészek az új termékben. Erre korábban nem volt lehetőség, ezért a tesztmérnökök kénytelenek voltak elméletben ellenőrizni, később számítógépekkel szimulálni egy-egy új fejlesztésű alkatrész funkcionalitását.
