Vad är 3D-utskrift?

Under de senaste åren har 3D-utskrift fått stor uppmärksamhet, lovat att revolutionera tillverkningen och helt vända om hur vi producerar varor. Precis som med många nya störande teknologier är mycket av täckningen i den populära pressen överdriven, mer som en Star Trek-replikator än de faktiska processerna. 

Däremot, om några av de ödmjukare hävdar att det går ut eller inte, för designers erbjuder 3D-utskrift en spännande utsiktering: förmågan att producera föremål utan begränsningar av traditionell tillverkning, förmågan att till och med tillverka föremål på ditt skrivbord utan traditionella färdigheter eller tekniska färdigheter.

4D Dodecahedron i en MakerBot Replicator 2. Bildkredit: Creative Tools via Flickr

I slutet av denna artikel kommer du att ha introducerats till terminologin för 3D-utskrift och ha en uppfattning om vilken metod som är bäst för dig. Först kommer vi att diskutera de tre vanligaste teknikerna, och sedan några alternativ i utformningen av en modell.

3D Printing Technologies

Det skulle vara fel att tänka på 3D-utskrift som en enda teknik. Istället är det en uppsättning teknologier som följer en gemensam idé om tillsatsproduktion som drivs av programvara. 

Så vad är additivtillverkning? Många tillverkningstekniker börjar med ett materialblock och selektivt tar bort det tills vi lämnar det önskade objektet. Additiv tillverkning gör det här på huvudet, börjar med en tom duk och lägger bara till vad som krävs för det slutliga objektet. 

I sig själv är denna tillsatsproduktion inget speciellt - en barnbyggande sandslott på stranden använder tillsatsproduktion. Det är tillägget att använda digital teknik för ett tillförlitligt och korrekt resultat som gör 3D-utskrift speciellt.

3D-utskrift bestående av många 2D-skivor. Bildkrediter: Creative Tools via Flickr

Vanligtvis fungerar detta genom att skära ett objekt som vi vill skapa i tunna sektioner och bygga dessa skivor en i taget, staplade ovanpå varandra. Tänk på att bygga en pyramid som en serie fyrkantiga byggnader, var och en mindre än den sista, staplade upp för att göra en 3D-form.

FDM: Extruderande filament

Den första tekniken vi ska titta på är FDM, Fused Depositional Modeling eller FFF, Fused Filament Fabrication om vi vill undvika varumärkesbestämda termer. Den är beroende av att "strängsprutning" en filament av material, dvs att värma den till en punkt vid vilken den kan pressas genom ett munstycke, vilket ger en jämn tunnare filament. Detta munstycke flyttas över en yta, ritar konturen av skivan vi vill skapa och fyller sedan denna skiss med ett materialmönster. 

Eftersom materialet är varmt när det strängsprutas, bindar det sig till en filament som redan är nedlagd och bildar en solid skiva material. När det är färdigt rör sig munstycket upp en liten mängd och börjar extrudera nästa lager.

Delvis, trots ett FDM-utskrift, notera konturerna och infällningsmönstret. Bildkredit: Tony Buser via Flickr

Det här är tekniken som du hittar i de flesta hobbyistiska 3D-skrivare, vanligen med materialet ABS eller PLA-plast. Tekniken producerar en "träkorn" -liknande yta med små spår mellan varje lager (även om detta kan avlägsnas genom slipning, polering eller acetonånga). Otillräcklig kalibrering av en maskin kan leda till att trådar sträcker sig på platser eller blobber av smält material.

Tekniken kan kämpa med överhängande former. Eftersom den bygger på toppen av lagret nedan strängs något överhängande på inget annat än luft! Så länge vi inte behöver överhänga för långt, kommer materialet att stödja sig själv och inte sakta för mycket. Men kommersiella maskiner hanterar detta med ett stödmaterial som strängsprutas från ett andra huvud, byggt som en byggnadsställning för att stödja eventuella överhängningar som kan knäppas eller lösas upp efteråt. Det finns några hobbyister som försöker replikera detta, men de tenderar att vara mindre tillförlitliga.

SLA: Inställning av hartser

Nästa teknik, Stereolithography eller SLA, bygger på fotokänsliga hartser, fotopolymerer, material som förändras från vätska till fast substans när de utsätts för (vanligtvis ultraviolett) ljus. Genom att exponera varje segment av objektet på ytan av ett tunt lager av vätskan med ultraviolett (UV) ljus, kan vi härda bara de delar vi vill ha. Detta härdade harts översvämmas upprepade gånger med ett annat tunt skikt av vätska och exponeras sedan med UV-ljus i form av nästa skiva modell, för att lämna en härdad 3D-struktur när vi tömmer av vätskan. 

Metoden för UV-exponering skiljer sig åt: vissa SLA-skrivare använder en laser och styr den över ytan för att rita skivan, medan andra använder en DLP-projektor för att exponera ett helt lager i taget.

Stereolitografiska utskrifter från Form 1-skrivaren. Bildkrediter: Seth Woodworth via Flickr

SLA producerar lättare en mjukare, högre upplösning, men tenderar att vara dyrare. Det har samma fråga om överhäng, och delar tenderar att byggas på en byggnadsställning av samma harts som det inbyggda objektet, vilket kräver en hel del rengöringsslipning. 

Många "modelltillverkningstyptryck" i den professionella världen av 3D-utskrift tenderar att använda denna teknik, och det finns många fotopolymerer som nu finns tillgängliga efterlikna olika material. Fram till nyligen har patenten begränsat denna teknik till professionella maskiner, men maskiner som är tillgängliga för hobbyister har dykt upp de senaste åren, och med detta har billigare hartser också dykt upp. Med detta sagt använder tekniken gloopy kemikalier med begränsat liv, så jag tror inte att det kommer att helt ersätta FDM i hobby-sfären.

SLS: Smältning med lasrar

De allra bästa 3D-skrivarna använder igen en laser, men den här gången med högre effekt, smälter eller sintrar pulver tillsammans (sintring är när du värmer ett material tillräckligt för att smälta det ihop men inte tillräckligt för att smälta det helt i en vätska). 

Dessa pulver kan vara plastplast som Nylon, eller till och med metaller, vilket möjliggör 3D-utskrift av delar som är lämpliga för maskiner. Om du ser en nyhetsartikel om Formel 1-racingteam eller raketproducenter som använder 3D-utskrift, kommer det att vara den typ de menar. Mycket hög upplösning och mycket stark, men oftast ganska dyr. 

Dessa typer av maskiner används vanligtvis som ett alternativ till traditionell tekniksteknik och, även om de är dyra, kan vara billigare än traditionella tekniker för enstaka delar eller små produktionsleder.

SpaceX SuperDraco-raketmotorer med delar 3D tryckta med Inconel superalloy. Bildkrediter: SpaceX-bilder via Flickr

Andra 3D Printing Technologies

Dessa tre teknologier är inte på något sätt uttömmande. Du kan få skrivare som deponerar droppar vax, som producerar en modell som kan gjutas i en form för metaller (ofta används för smycken). Du kan använda teknik som liknar en bläckstråleskrivare över ett behållare av pulver, för att deponera ett bindemedel och pigment, vilket gör fullfärgsmodeller. Eller en mycket liknande teknik följt av glasering för att göra keramik (tallrikar, koppar, etc.). Ännu mer specialiserade 3D-skrivare kan lägga ner biokompatibla material för att skriva ut levande vävnader för implantation, nanoskalaobjekt för att göra små maskiner och gigantiska byggnadsdelar för arkitektur.

Konstgjord sandsten 3D skulptur. Bildkredit: EdytaZwirecka via Wikipedia

3D tryckmaterial

För det bredaste utbudet av material, se till en 3D-utskriftstjänst med en rad maskiner, till exempel Shapeways erbjudande. Du tittar på ett antal plast, metaller och keramik med olika egenskaper som passar vad du försöker göra. 

Utmärkt, du kanske tror - jag behöver inte bry sig om hur det fungerar, så länge det fungerar! Men det finns fångst: titta på varje material de erbjuder och du får se att de alla har olika krav, minsta väggtjocklek, minsta ytdetaljstorlek, minsta möjliga avstånd. Du kanske tycker att du behöver anpassa din design till materialet du använder.
Om du går åt andra hållet, får du en hobbyist 3D-skrivare, du är lite mer begränsad, men inte så mycket som du kan förvänta dig. Det finns en rad filament där ute nu som kommer att fungera på den här typen av maskin. Det finns flexibla filament, träliknande trådar, genomskinliga material och plast med alla olika egenskaper. 

Akta dig dock: Dessa material behöver vanligtvis lite tinkering med temperaturer och eventuellt även alternativa delar i skrivaren. De flesta med dessa typer av maskiner gillar att tinker med sådana saker, dock.

Modellering för 3D-utskrift

Det finns två stora tillvägagångssätt för 3D-modellering: ytmodellering och solid modellering. 

• Ytmodellering representerar typiskt ett objekt som punkter, kanter och ansikten. 
• Solid modellering istället, som namnet antyder, behålls en representation av objektets insida. Solid modellering är vanligtvis svårare för programmeraren att skriva och mer begränsande till designern att modellera, och därför är de flesta modeller som syftar till att göra bilder från en 3D-modell använda ett ytmodelleringspaket.

För 3D-modellering kan antingen användas, även om det finns förbehåll för det. Kom ihåg att programvaran kommer att sträva efter att skära modellen i sektioner och måste veta vilken är inuti och utanför dessa sektioner. Självklart är ett modelleringspaket som representerar föremål som fastämnen otvetydigt vilket är vilket, men ytmodellering kan producera filer där det inte är så uppenbart. 

Det finns ett mycket strikt tillvägagångssätt som du måste ta för att producera giltiga filer med sådan programvara, ganska olik det vanliga sättet att göra en modell att göra. I korthet måste filen vara "mångfaldig", dvs inga korsande ytor, inga inre ytor, inga hål och alla hörn svetsade inte bara väldigt mycket nära. Modellen måste vara vattentät om du har gjort det från plastplåtar. Prova att följa den här guiden för mer information.

Så om du inte redan är skicklig med ytmodellering, skulle jag föreslå att du skulle gå med ett solidt modelleringspaket. Även om de är mindre uttrycksfulla, är det mindre att gå fel för ditt första försök! 

Jag brukar använda Solidworks, men det är ganska dyrt. Tack och lov med ökningen av 3D-utskrift kommer en matchande spridning av gratis solid modelleringspaket. Företaget som producerar AutoCAD, ett annat dyrt men mycket kraftfullt 3D-paket, erbjuder några paket. Av dessa är några av de mest användbara för detta ändamål Tinkercad, ett grundläggande webbläsarbaserat CAD-paket och 123D Design, ett offlineverktyg med liknande funktioner. 

Mitt gratis go-to-verktyg är vanligtvis Trimble Sketchup, vilket är gratis för icke-kommersiell användning, men du behöver en förlängning för att få rätt typ av fil.

Oavsett vilket verktyg du använder, behöver du vanligtvis sluta med en eller flera STL-filer. Detta är ett mycket grundläggande filformat, men vilka 3D-skrivverktyg kommer att acceptera.

Producerar ditt 3D-utskrift

Så du vet några av teknikerna, du vet några av programvaran, kanske har du till och med gjort en fil, och du vill bara veta hur man får det skrivet redan! Det finns några sätt att gå här: du kan investera i en maskin, du kan använda en 3D-utskriftstjänst eller du kan hitta någonstans att använda en 3D-skrivare. Var och en har för och nackdelar.

Att köpa en egen maskin kan vara ganska en investering, men mycket mindre än tidigare. Du kommer att vara begränsad till den teknik som din maskin använder, och därmed det (eller några) material som används i den tekniken. Förutsatt att du inte är av pengar och har kunnat få en professionell maskin, kanske du måste dyka in i maskinens tekniska sida om någonting behöver bytas ut eller omkalibreras, även om många hobbymaskiner har utmärkta nätgemenskaper för att stödja detta. 

Men efter att ha sagt allt det har du det billigaste alternativet per del du vill göra, så om du blir knuten kan du churn ut delar till ditt hjärtans innehåll. Och du kan snabbt repetera delar - om du är något som jag och du gör flera delar att gå med ihop, får du något fel första gången du gör det!

En modell på väg mot Ultimaker, en populär hobbyist 3D-skrivare. Bildkrediter: Maurizio Pesce via Flickr

Ett annat alternativ är 3D-utskriftstjänster, antingen online eller ditt lokala 3D-utskriftsföretag. Detta har fördelen av ingen uppskjuten kostnad (även om det är betydligt dyrare per del) och ett utbud av teknik och material tillgängligt. Den andra största nackdelen vid sidan av kostnaden är tid, för du måste vänta på dem att göra det och skicka det till dig. Det finns några stora tjänster där ute, som Shapeways eller iMaterialise, men handla runt och hitta lösningen som har det bästa priset och snabba priset för dig.

3D-tryckta delar från Shapeways, en online 3D-utskriftstjänst. Bildkrediter: Lunatics TV via Flickr

Det tredje alternativet är ett halvvägs hus mellan dessa men är beroende av att hitta en 3D-skrivare som du kan använda lokalt. Tillverkarens rörelse har resulterat i massor av lokala tillverkare utrymmen, som kan ha maskiner tillgängliga till kostnaden för inträde och material, eller till och med bara någon som är villig att handla tid på en maskin för 3D modellering färdigheter för sina projekt. Kolla upp det!

Eller du kan göra vad jag gör, och gör alla dessa! Testa snabbt modeller på dina egna maskiner, skicka filer av för alternativa material och engagera dig med lokala tillverkare och studenter att göra saker.

Slutsats

Så du vet nu lite av terminologin, några av alternativen och fördelar och nackdelar med varje. Gå framåt och 3D skriv ut något intressant. Också vara säker på att hålla ögonen öppna för framtida handledning som deltar i några av detaljerna närmare. Om du har några frågor, skicka in dem i kommentarerna!

För ditt första steg till 3D-utskrift, varför försök inte använda en 3D-utskriftstjänst. Testa vår handledning om att skapa ett 3D-skrivet mobilväska.

Förhandsvisa bildkredit: Seth Woodworth via Flickr