Các tiềm năng và xu hướng in 3D

Các tiềm năng và xu hướng in 3D

In 3D là một phân khúc phát triển nhanh của thị trường sản xuất với các kỹ sư và phát triển vượt qua các hạn chế khi các cải tiến mới được phát triển. Các thiết kế trong tất cả các ngành và đặc biệt trong ngành công nghiệp cần biết cách sử dụng máy móc, vật liệu và quy trình để tận dụng tối đa các công nghệ mới này.

Máy in Polyasysâ Polyjet có thể tạo ra các sản phẩm từ ba vật liệu khác nhau với một loạt các màu sắc khác nhau.

Máy móc

Một số mô hình 3D phổ biến cung cấp cho người dùng một số cách kết nối chúng với máy in 3D. Chúng bao gồm thiết bị không dây, thông qua cáp USB, hoặc trực tiếp trên máy thông qua các điều khiển. Tuy nhiên, có một số tùy chọn kết nối là một sự tiện lợi — không phải là sự cần thiết hoặc giới hạn của máy in. Những mối quan tâm hàng đầu về máy in là chi phí, độ lớn sản phầm, dung sai và các vật liệu có thể xử lý.

Chi phí là một yếu tố hạn chế, do đó các công ty máy in đã giảm giá cho phù hợp. Ví dụ, các máy chế tạo filament hợp nhất (FFF) và máy ghi mẫu (SLA) có thể có giá từ 1.300 đến 3.000 USD. Máy in được nhắm mục tiêu sử dụng tại nhà cũng đã được giảm giá chỉ còn vài trăm đô la. Ví dụ, Da Vinci Jr. — một máy FFF từ XYZ Printing – được phát hành vào tháng 5 năm nay với giá 349 đô la. Đối với một số máy in, bao gồm các mô hình thiêu kết laser chọn lọc (SLS), có giá dao động từ $ 12.500 đến $ 33,000; đó là những mô hình tiết kiệm chi phí hơn. Máy SLS có thể giảm xuống dưới $ 10,000, nhưng nếu điều này xảy ra thì máy sẽ chậm hơn vì đây là những máy phức tạp. Một lý do cho việc giảm giá này là một số bằng sáng chế sản xuất phụ gia (AM) đã hết hạn, được phổ biến cho các công ty khác để cạnh tranh trong ngành.

 “Chi phí máy in 3D chỉ có giá $ 349” của Engineering TV

Khi xem xét hiệu quả chi phí của máy in 3D, các kỹ sư nên nhớ rằng việc có một khung ngoài lớn hơn có thể cho phép máy in tạo nhiều sản phẩm cùng một lúc. Khoảng cách bình thường từ 5,5 đến 12 in, mặc dù các kích thước khác cũng có sẵn. Ví dụ, X1000 3DP Unlimited tự hào có bộ khung 3,28 × 3,28 × 1,64 ft (1 × 1 × 0,5 m).

 “In 3D Printing có bước tiến lớn với 3DP1000” của Engineering TV

Khi in 3D cạnh tranh với các quá trình khác, để biết được ai chiến thắng đôi khi có thể được quyết định bằng cách xác định bên nào tạo ra các sản phẩm nhanh hơn. Thời gian in 3D cũng có ảnh hưởng quan trọng. Trong một thử nghiệm, 3DP Unlimited in một chiếc ghế bằng FFF trong 200 giờ. (8 ngày) bằng cách tăng độ dày của mỗi lớp, thường được gọi là độ phân giải. Trong thử nghiệm này, thời gian in được cắt xuống 35 giờ. Đối với FFF, độ phân giải thay đổi đòi hỏi phải thay đổi kích thước đầu đùn.

Bản in 200 giờ được thực hiện với đầu đùn 0,003 in (0,07 mm). Chuyển sang đầu đùn 0.047 in (1.2 mm), thời gian in được cắt giảm 83%. Thời gian in cũng có thể được rút ngắn bằng cách tăng tốc độ của đầu in. Các công ty đang bắt đầu suy nghĩ về việc thêm một số đầu đùn để giảm thời gian sản xuất. Ví dụ, Stacker đã chế tạo một máy in với bốn đầu đùn hoạt động đồng thời.

In 3D  liên kết lắp ráp năng động và đủ bền để được mặc như quần áo.

Zach Simkin, chủ tịch của Senvol, ủng hộ một cách tiếp cận rộng hơn so với việc tìm kiếm các bộ phận nhỏ, phức tạp được sản xuất với sốlượng nhỏ. Các công ty có thể tiết kiệm bằng cách phân tích toàn bộ chuỗi cung ứng. Một sản phẩm có thể đắt hơn hoặc mất nhiều thời gian hơn khi in 3D. Tuy nhiên, in 3D có thể làm giảm bớt tắc nghẽn, giảm thời gian, hoặc tiết kiệm tiền trên toàn bộ dây chuyền sản xuất.

Các công ty giáo dục về sản xuất phụ gia là chìa khóa khác. Kỹ sư ứng dụng Stratasys Mark Bashor giải thích: “Lấy khung ngoài, dung sai và các giá trị định lượng khác vào xem xét không phải là tổng thể về in 3D. Hệ điều hành chung và đễ sử dụng với cơ sở cũng rất quan trọng. Máy in có cần quạt không? Người dùng phần mềm có thân thiện không? Máy in có đi kèm gói bảo hành không? ”

Một máy in 3D có một số dung sai, có thể gây nhầm lẫn cho một số người dùng. Độ phân giải dung sai là khả năng duy trì độ dày lớp giống nhau cho mỗi mặt cắt ngang của chi tiết. Kích thước dung sai đề cập đến khả năng đáp ứng nhu cầu thiết kế của một sản phẩm. Sau đó, có độ chính xác và dung sai chính xác. Nhiều công ty sử dụng độ phân giải và kích thước laser hoặc đầu đùn có sẵn với máy in, nhưng rất khó để có được thông tin GD & T về các bộ phận mà nó có thể thực hiện.

Khó khăn của GD & T bắt nguồn từ tất cả các kích thước và thiết k. Một đầu đùn tròn có thể cho một đường chính xác, nhưng có thể không có khả năng giữ cùng dung sai trong khi in mặt ngoài. Khi các công ty tìm cách in 3D để hoàn thành các bộ phận, việc truy cập dễ dàng vào dữ liệu GD & T sẽ là cần thiết.

Một so sánh chung của các quá trình dựa trên dung sai.

Các hạn chế về vốn đang được hỗ trợ bởi các hoạt động cộng đồng. Ví dụ, Peachy sắp bắt đầu cung cấp máy in 3D quang cho người dùng vào tháng 7 này. Người dùng có thể tự lắp ráp chúng với giá khoảng 100 đô la hoặc mua chúng được lắp ráp với giá khoảng 1.000 đô la. Trong trường hợp của Peachy, nó giảm giá bằng cách đơn giản hóa máy in.

Hầu hết các máy in 3D đều có trục Z được điều khiển bởi các bộ phận chính xác nhưng tốn kém. Chỉ cần một trục chính chống phản ứng và đai ốc đã có thể vượt quá $ 40. Peachy bỏ các bộ phận điều khiển trục Z bằng nhựa vào nước muối. Mực nước tăng lên giữa các lớp, cho phép in tiết diện tiếp theo. Peachy cũng tiết kiệm tiền bằng cách sử dụng một loại nhựa ảnh được liên kết bằng laser với ít năng lượng hơn các máy in 3D đắt tiền khác.

 “Máy in nhựa nổi trên nước muối” được quản lý bởi TV kỹ thuật

Các công ty khác đã sử dụng sức mạnh kỹ thuật để giảm hạn chế. Ví dụ, Hermle sử dụng một đội ngũ 20 kỹ sư để giới thiệu một quá trình gọi là ứng dụng bột kim loại, một quá trình bảy năm. Nó tương tự như máy in bột SLS, nhưng không sử dụng laser. Thay vào đó, nó làm nóng bột trong một khung chứa hơi nước siêu nóng.

Bột kim loại nóng chảy qua một đầu đùn và chạm vào chất nền với tốc độ gấp 3 lần tốc độ âm thanh. Tác động tạo ra một lực 1.450 psi (10 GPa) và nhiệt độ lên đến 1.832º F (1.000 o C). Nhiệt và áp suất làm cho bột kim loại tạo thành sản phẩm. Toàn bộ quá trình diễn ra trên máy phay CNC 5 trục.

Vật liệu mới liên tục được phát triển. “Các polyme được sử dụng trong in 3D là vật liệu không phải tinh thể có khoảng cách lớn hơn giữa nhiệt độ nóng chảy và thủy tinh chuyển đổi,” Bashor nói. “Đối với polyme như nylon, các tính chất này tương đối giống nhau. Để sử dụng nylon in 3D, nó được thay đổi để tăng khoảng cách này. ”

Một sản phẩm được lắp ráp hoàn chỉnh với nhiều màu sắc.

Đối với SLA, vật liệu phải là photopolymer lỏng hoặc ảnh-nhựa. Tia laser truyền qua vật liệu, vì vậy chất lượng quang học cũng rất quan trọng. Các công ty sử dụng SLS muốn dùng các vật liệu dễ mua. Sử dụng bột bị hạn chế, nhưng chúng dần phổ biến, theo JK Lasers Giám đốc sản phẩm Simon Caiger. Sợi carbon ABS tổng hợp sợi carbon mới cũng có thể khó tìm và tốn kém. Những hạn chế về khả năng tiếp cận, các kỹ sư có chi phí dẫn đầu tại Strati và Local Motors khi sử dụng bột ABS tổng hợp sợi carbon, thay vì dây nhựa, khi quyết định sử dụng vật liệu nào in những chiếc xe mới của họ.

Sự phổ biến của in 3D cũng giảm những hạn chế. Các công ty đang tạo ra nhiều vật liệu FFF mới để giành được thị phần trong ngành công nghiệp phát triển nhanh này. Trong thực tế, điều này tạo ra liên doanh giữa Graphene Laboratories và Lomiko Metals để tạo thành phòng thí nghiệm Graphene 3D. Công ty mới này tạo ra hỗn hợp graphene oxide, một vật liệu in 3D cung cấp độ dẫn nhiệt và điện. Nó có điện trở suất 1 ohm-cm, cho phép phòng thí nghiệm Graphene 3D in pin với cùng điện áp như pin AA.

Vật liệu có tính chất điện cũng là trọng tâm cho các công ty khác. Voxel8 tạo ra loại mực bạc được sử dụng trong một máy in 3D. Vật liệu có khoảng 2 triệu S / m. Để so sánh, bột nhão dẫn điện có khoảng 400 S / m và các sợi dẫn điện nằm trong phạm vi 100 S / m. Mực in của Voxel8 ở nhiệt độ phòng và thiết lập trong khoảng 15 phút. Daniel Oliver, một trong những người đồng sáng lập của Voxel8, cho biết máy in không chỉ dừng lại ở mực khô. Mực có thể được in mà không dừng lại và các đặc tính của nó không bị ảnh hưởng.

 “Sản phẩm in 3D bền với công nghệ FDM từ Stratasys” được cung cấp bởi Engineering TV

Ngoài ra còn có một loạt các vật liệu mới liên quan đến đất sét, gỗ và tre. Những vật liệu mới này có thể đủ cứng và đủ bền để in một chiếc xe hơi, hoặc mềm và đủ xốp để in một chiếc giày thoải mái. Các chuyên gia trong ngành nói rằng có một xu hướng hướng tới phát triển máy in 3D có khả năng in với nhiều loại vật liệu cùng một lúc. Quy trình đa dạng của Stratasys, được gọi là Polyjet, có thể in ba vật liệu cùng một lúc.

Polyjet cho phép vật liệu được pha trộn cho một sản phẩm đa dạng hơn về màu sắc và phạm vi rộng hơn. Điều này làm giảm thời gian xử lý cho các bộ phận in 3D, vì thao tác này không cần phải dừng lại để thay đổi vật liệu. Các bộ phận không còn cần được in riêng và lắp ráp nữa. Điều này cũng có thể làm giảm hoặc loại bỏ các bước hậu xử lý.

Các kỹ thuật đế bột SLS cho phép in 3D tạo các bộ phận kim loại với hình dạng chính xác và phức tạp như thế này.

Phát triển các bộ phận có bản lề và lò xo có thể được in thành các bộ phận làm giảm số lượng bộ phận trong lắp ráp, tiết kiệm nhiều thời gian và tiền bạc hơn. Các công ty cũng đang bắt đầu in toàn bộ công cụ, được thực hiện bằng cách thiết kế bố cục của bộ phận. Nếu lắp ráp cần linh hoạt, một polymer hòa tan có thể tách các bộ phận trong quá trình in và được loại bỏ trong quá trình hoàn thiện.

Với tất cả sự đổi mới này, các thuộc tính vật liệu mới đẩy mạnh sự phát triển của máy in hay là những hạn chế về máy in làm các vật liệu có tính chất mới? Theo Eric Utley, kỹ sư ứng dụng cho Proto Labs, là cả hai.

“Nó phụ thuộc vào công nghệ được đề cập,” ông nói. “Đối với một quá trình như stereolithography, vật liệu phải là một photopolymer mà quá trình đông đặc tiếp xúc với một bước sóng cụ thể của ánh sáng … Điều này có nghĩa rằng bạn sẽ không bao giờ có thể in một ‘sản xuất’ nhựa như ABS hoặc polycarbonate thông qua stereolithography. Theo nghĩa này, công nghệ được xây dựng xung quanh vật liệu.

“Thiêu kết Laser kim loại trực tiếp cho phép in 3D bằng kim loại”, Utley tiếp tục. “Tuy nhiên, có một số vật liệu kim loại theo yêu cầu, chẳng hạn như nhôm và đồng, về kỹ thuật rất khó để thực hiện quá trình này. Cần phải có thêm sự đổi mới trong công nghệ để thích nghi với các rào cản kỹ thuật do các vật liệu này đặt ra để các ứng dụng mới có thể được khám phá. DMLS cần phải thích nghi như một công nghệ để đáp ứng các vật liệu có nhu cầu cao này. ”

In 3D là quy trình xử lý vật liệu thừa tối thiểu so với hầu hết các hoạt động gia công khác. Lượng năng lượng đi vào một thỏi hoặc phôi để nghiền hoặc in tạo ra rất nhiều chất thải. Ngoài một số quy trình hoàn thiện và vật liệu hỗ trợ, hầu hết năng lượng đi vào làm dây nhựa hoặc bột cho sản phẩm in 3D  ở phần đã hoàn thành.

 “Vật liệu và màu sắc pha trộn của máy in 3D với công nghệ PolyJet” được cung cấp bởi Engineering TV

Các công ty có thể cắt giảm tác hại môi trường của in 3D bằng cách tái chế các bộ phận cũ. Để đơn giản hóa vật liệu tái chế, Extrusion Bot đang nghiên cứu sản xuất một bộ phận máy nghiền và máy ép đùn sợi. Các máy làm việc cùng nhau để nghiền các sản phẩm không còn cần thiết hoặc bị hỏng, sau đó sử dụng lại sợi nhựa một lần nữa.

Máy in 3D có là thiết bị gia dụng phổ biến không? Theo Utley là không. Ông nói: “Tôi không thấy nó phổ biến như PC hay lò vi sóng, nhưng có lẽ nó sẽ trở nên phổ biến như một máy khoan hay bàn cưa.”

In 3D thích hợp hơn trong sản xuất công nghiệp. “Có rất nhiều sự phát triển thú vị, chẳng hạn như động cơ bước của GE trong đó có các bộ phận in 3D và những người khác đang sử dụng máy in 3D để tăng sản xuất số lượng nhỏ các bộ phận”, kỹ sư ứng dụng Stratasys Michael Block nói. “Một số công ty đã thử nghiệm việc sử dụng in 3D để sản xuất hàng loạt hoàn thành các bộ phận nhỏ. Những người khác đang làm việc với các máy in 3D để tăng năng suất của họ để họ có thể bắt đầu sản xuất hàng loạt với in 3D.”

Có một sự đồng tình giữa những người được phỏng vấn rằng mọi người có thể sử dụng máy in 3D cho nghệ thuật và hàng thủ công, nhưng vẫn sẽ đi đến các cửa hàng địa phương để mua phần cứng, đĩa và các mặt hàng khác. Điều này không có nghĩa là thị trường của nó bị thu nhỏ. Ngành công nghiệp in 3D thương mại và công nghiệp sẽ tiếp tục phát triển và cung cấp nhiều dịch vụ hơn.

7 lý do cần sử dụng công nghệ sản xuất phụ gia

Chi phí sản xuất:  Nếu thiết kế phức tạp hoặc chi phí cố định cao dẫn đến giá cao, hoặc số lượng sản xuất nhỏ, AM có thể là phương pháp tiếp cận hiệu quả về chi phí hơn.

Thời gian:  Chi phí thời gian sản xuất thường rất quan trọng và thời gian tạo các sản phẩm AM có thể cung cấp một giải pháp cho việc này.

Chi phí hàng tồn kho cao:  AM cho phép sản xuất theo yêu cầu, giảm nhu cầu về hàng tồn kho.

Duy nhất có nguồn gốc từ các nhà cung cấp:  Bằng các bộ phận đủ điều kiện cho AM, các công ty sẽ không còn phụ thuộc vào nhà cung cấp nữa.

Khoảng cách địa lý:  khi các khoảng cách địa lý khá xa hạn chế phân phối các bộ phận, AM tại chỗ có thể giúp phân phối.

Chi phí xuất nhập khẩu cao:  Sản xuất AM tại chỗ cũng giúp loại bỏ chi phí xuất nhập khẩu cao.

Chức năng cải tiến:  AM có thể thiết kế lại các bộ phận để cải thiện hiệu suất, dẫn đến lợi nhuận hoặc thị phần lớn hơn.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *