A 3D nyomtatás un. additív prototípusgyártási eljárás. Az egyes tárgyakat, alkatrészeket a modellanyag rétegenkénti hozzáadásával építi fel. (Ebben alapvetően eltér az olyan, szubtraktív eljárásoktól - esztergálás, marás stb. - amelyek a végleges befoglaló méretnek megfelelő munkadarab részeinek eltávolításával alakítják ki a különböző felületeket.)

Mit jelent mindez az Ön számára? Rendkívüli szabadságot a formák kialakításánál. A legtöbb hagyományos gyártási eljárásnál a tervezőnek folyamatosan figyelemmel kell lennie arra, hogy az általa választott gyártási eljárás egyáltalán képes-e előállítani az elképzelt alakzatokat. Kiszabadítható-e a modell az öntőformából? Hozzá lehet-e férni egy belső felülethez? Elszakad-e az anyag... stb.? A 3D nyomtatás esetében az ilyen geometriai korlátok elenyészőek. Nagy bonyolultságú alkatrészek ugyanolyan egyszerűen építhetőek, mint a kevésbé összetett formák.

Természetesen a 3D nyomtatásnak is vannak műszaki, célszerűségi korlátai, ezeket (is) részletesen tárgyaljuk e honlap Miért..? c. fejezetében.

Képzeljünk el egy egyszerű tárgyat, mint például az alábbi illusztrációkon is látható poharat. Ha e képzeletbeli poharat elhelyeznénk egy a kórházakban használatos CT berendezésbe, számos felvételt készíthetnénk, amelyeken a pohár metszetei láthatóak.

Ha minden egyes metszet alapján előállíttatnánk valakivel a pohár adott képre eső körvonalát műanyagból, majd ezeket a műanyagrétegeket sorendben egymásra ragasztanánk, a végeredmény egy az eredeti pohárhoz hasonló alakzat lenne. Annál jobban hasonlítana az eredeti pohárra, minél pontosabban követik a műanyagrétegek az eredeti körvonalakat és minél több ilyen metszetet készítettünk.

A modell metszeteinek megfelelő 2 dimenziós alakzatokat...

...egymás fölé nyomtatjuk, így 3 dimenziós tárgyat kapunk.

Függetlenül attól, hogy nagy teljesítményű lézerekkel és porokkal, vagy folyadékokkal dolgozik-e, minden additív prototípusgyártási technológia ugyanerre az elvi megoldásra épül. A 3D nyomtatást kidolgozók (az általunk üzemeltetett berendezést és PolyJet eljárást az Objet Geometries fejleszti) azt ismerték fel, hogy már létezik olyan elterjedt technológia, amellyel nagyon vékony rétegben, nagy pontossággal lehet anyagot elhelyezni egy sík felületre. Lényegében ez történik minden olyan tintasugaras nyomtató belsejében, amely bármely szaküzletben szép számmal sorakozik a polcokon.

Egy hasonló nyomtatótömb működik az Eden 260V berendezés belsejében is, azzal a különbséggel, hogy ennek fúvókái nem festéket, hanem folyékony műanyagot permeteznek nagy pontossággal. A megfelelő helyre juttatott műanyag UV fény hatására pillanatokon belül térhálósodik, folyékonyból véglegesen szilárd halmazállapotúvá változik. A jelenség mindannyiunk számára ismerős lehet a fogorvosi székből, ahol a paszta formájában elhelyezett fogtömések szilárdulnak meg UV lámpa hatására. (Természetesen esetünkben a térhálósodás és annak előkészítő műveletei is teljesen fájdalommentesek.)

Dolgozik a 3D nyomtató. A munkateret a nyomtatótömb két oldalán elhelyezkedő UV lámpák fénye világítja meg. Középen sárgás színben látszik a rétegről-rétegre épülő munkadarab.

Hogyan lehet ezeket a nagyon vékony rétegeket összeilleszteni? A berendezés belsejében lévő tárgyasztal (a nyomtatási felület) minden réteg elkészültét követően lejjebb süllyed. (Itt rendkívül finom mozgásról, rétegenként 16 ill. 30 mikronról van szó, így a keletkező felületek is pontosak, tetszetősek lesznek.) Ennek következtében minden réteg közvetlenül az előző réteg tetejére lesz kinyomtatva. Az anyag szilárdulása úgy van időzítve, hogy az egyes rétegek között is szoros kapcsolat alakul ki minden további ragasztás nélkül. A gyártás végeredménye sokoldalúan használható, precíz geometriájú műanyag modell. Az eljárás és az alkalmazott anyagok műszaki paramétereiről itt olvashat.

 
Felmerülhet a kérdés: mi a helyzet az alámetszett részekkel? A korábbi példánál maradva, hogyhogy a pohár kiszélesedő részei nem esnek le a tárgyasztal aljára a felső rétegek nyomtatásakor?

Berendezésünk e probléma kezelésére egyszerre 2 anyaggal „nyomtat". A véglegesen megszilárduló modellanyag alkotja a tervezett tárgyat, míg a támaszanyag (amint neve is jelzi) ideiglenes támasztékként beágyazza az alámetszett részeket. Ez (az egyébként zselés tapintású, de ugyancsak homogén) támaszték vízsugárral könnyedén eltávolítható a gyártást követően.

Támaszanyag (a képen sárga színnel jelöltük) alkalmazása nélkül a modell alámetszett részei leesnének nyomtatás közben. A támaszanyag a nyomtatást követően vízsugárral könnyedén eltávolítható.

A 3D nyomtató három dimenziós számítógépes gyártmánytervek megvalósítására alkalmas. A nyomtatás alapja a .STL kiterjesztésű platformfüggetlen háromszögelt felületállomány. A .STL fájl kizárólag az elkészítendő testek (háromszögekből felépített) felületét tartalmazza, amelynél minden egyes háromszöghöz kapcsolódik egy vektor, amely megmutatja, hogy melyek az adott felület „külső" ill. „belső" oldalai. Ebben a modellben nincs tehát sem a parametrikus modellezésre jellemző ágstruktúra, sem bonyolult függvényekkel leírható sajátosságok.

Mit jelent ez a tervező számára?

• Függetlenség a tervezőszoftvertől: .STL állományt lényegében bármely olyan korszerű CAD rendszerből lehet exportálni, amely testmodellezésre szolgál. (Az exportálás menete egyes szoftvereknél itt elérhető:...) Ezáltal nemcsak széles az alkalmas fejlesztőeszközök tárháza, de elkerülhetőek az egy szoftvercsaládon belüli, eltérő verziók alkalmazásából eredő konverziós problémák is.
• Automatikus előkészítés: a megfelelő .STL állományt elhelyezve a gép (virtuális) munkaterében, a nyomtató szoftver automatikusan elkészíti az egyes rétegek metszeteit, azonosítja a támaszanyagot igénylő felületeket, kiszámolja az anyag- és időszükségletet. (Sőt, akár a modellek méretaránya is szabadon változtatható, lehetőség nyílik például egy öntési eljárásra jellemző zsugorodásnak megfelelően arányosan nagyobbra / kisebbre nyomtatni a modellt) Mindez néhány percet vesz csupán igénybe és nem igényel további mérnöki közreműködést.

A nyomtatás feltétele, hogy a modell zárt felületekkel körülhatárolt legyen, és annak bármely pontján egyértelműen eldönthető legyen, hogy az „belül" van a modellen, tehát ki kell tölteni anyaggal, avagy a modellen kívül helyezkedik el. A legtöbb gépészmérnöki CAD rendszerben ez nem fog problémát okozni, hiszen a számítógépes szimulációk térnyerésével az alkatrészek már virtuális formájukban is számos anyagtulajdonsággal felvértezve léteznek.

A megfelelően előkészített modell minden felületének egyértelműen azonosítható a külső és belső oldala

Kihívást jelent azonban .STL állományt létrehozni olyan szoftverkörnyezetben, amely csak felületekkel dolgozik (pl. animációs célokra), ill. nem egyértelműen definiálja ezeknek a felületeknek a kapcsolatát.

Ugyancsak kritikus pont a .STL állomány létrehozása az eredeti CAD modellből. E pillanatban ugyanis elveszik minden többletinformáció a modellről a felületet közelítő háromszögek helyzetének kivételével. Értelemszerűen, minél sűrűbben borítja be exportáláskor a CAD rendszer a modell felületét háromszögekkel, annál kisebbek lesznek az egyes háromszögek és annál jobban követi majd a nyomtatott modell a virtuális mását. (Szélsőséges példával élve, ha egy CAD állományban lévő gömb felületét egyre kevesebb háromszöggel próbáljuk ábrázolni, a végeredmény erősen dobókocka-szerű lesz. De legalábbis szemmel látható lépcsőzetesség csúfítja majd gyártmányunkat.)

Megfelelő háromszög-sűrűség mellett is előkerülhetnek azonban hibák exportáláskor, például akkor, ha valamely felületelem vektora nem a megfelelő irányba mutat, vagy egy helyen lyuk tátong a modellen, esetleg néhány háromszög között a kapcsolat nem meghatározható.

A meglepetések elkerülése érdekében ajánlott tehát minden .STL állományt ellenőrizni nyomtatás előtt. A nyomtathatóságot természetesen mi is vizsgáljuk minden esetben, e téren azonban lényeges, hogy a modellt tervező szakember is lássa munkája eredményét. Ennek érdekében - mivel a legtöbb CAD szoftver nem tudja közvetlenül visszaolvasni az .STL állományokat - valamely .STL ellenőrző célszoftver alkalmazása indokolt. (Javaslatunk a Materialise Group által fejlesztett ingyenesen letölthető MiniMagics szoftver használata: http://www.materialise.com/MiniMagics)

Célszerű az .STL állományok mindegyike esetén meggyőződni a következőkről:

• Elég sűrű lett-e a háromszögelt felület. Nem lesz szemmel láthatóan „darabos" a kész gyártmány?
• Egyértelmű, zárt és hibamentes-e a felület? (A MiniMagics színezéssel megmutatja a problémás részeket)
• Minden résznél (üregek, stb.) valóban az van „kívül" és az van „belül" a modellen, aminek lennie kell? (A MiniMagics metszet funkciója révén áttekinthetőek a rejtett felületek is. A szoftver eltérő színezéssel mutatja a „belső" és „külső" részeket.)
• Megfelelő mértékegységek kerültek beágyazásra a modellbe? Nem változott például metrikusról angolszászra, vagy milliméterről centiméterre a méret

A nyomtatási eljárás megismerését követően javasoljuk, látogasson el honlapunk Miért...? c. fejezetéhez, néhány példa és lehetőség áttekintésére.

Amennyiben már mérlegelte, miként illeszthető az Önök tevékenységéhez is a 3D nyomtatási szolgáltatás, a Mennyiért...? fejezetben megismerkedhet a gyártás fő költségtényezőivel, illetve közvetlenül ajánlatot is kérhet tőlünk.