Hur är en industriell 3D-skrivare konstruerad och vilka funktioner som delarna – axlar, tandade remmar och ramar – utför

3D-utskrifter har revolutionerat industriell tillverkning och prototypkonstruktion. Denna teknik producerar objekt lager för lager från en digital modell. Huvudkomponenter: Förutom en ram, skrivhuvud, utskriftsbädd, styrenhet, axlar, tandade remmar och motorer, kräver en typisk 3D-skrivardesign i allmänhet också ett antal tillbehör. Men hur fungerar en industriell 3D-skrivare? Denna artikel belyser strukturen och funktionen hos de viktigaste komponenterna och tar kortfattat upp vissa tillämpningsområden.

En 3D-skrivare skapar tredimensionella objekt genom att applicera material lager för lager baserat på en digital modell. Detta kallas också additiv tillverkningsprocess, eftersom material stegvis läggs till det oavslutade arbetsstycket.

Processen börjar med en digital designfil som ofta levereras i STL-format (STL = Stereolitografi). Detta laddas i en speciell programvara med vilken 3D-modellen konverteras till en kontrollfil som är begriplig för 3D-skrivaren. Denna fil konverteras till den så kallade G-koden (G-koden är ett maskinspråk för programmering av CNC-maskiner). Datamodellen bryts ned av en skivarprogramvara i G-kodslager eller tunna horisontella lager. Denna process kallas skivning.

Skrivaren läser denna fil och skriver successivt ut lagren genom att applicera och stelna materialet – ofta plast, harts eller metallpulver – lager för lager tills hela objektet skapas.

Den exakta processen varierar beroende på utskriftstekniken, till exempel om materialet smälts genom uppvärmning (FDM) eller härdas genom exponering för ljus (SLA). Följande utskriftstekniker är för närvarande tillgängliga:

• Stereolitografi (SLA): Ett tunt syntetiskt hartsskikt hälls i en bricka. En UV-laser exponerar sedan de områden som ska härdas. Ett 3D-skrivarskåp används för denna teknik.
• Maskerad stereolitografi (MSLA): MSLA-utskriftsprocessen lyser selektivt upp det syntetiska hartset underifrån med en LCD-display. LCD-skärmen bildar en mask för varje utskriftslager och blockerar därmed UV-ljuset på de angivna platserna. I stället för en laserstråle som skannar lagren använder MSLA-skrivare en högpresterande ultraviolett ljuskälla.
• Selektiv lasersintring (SLS): Olika material i pulverform distribueras på tryckplattan och smälts med hjälp av laser. Slutligen måste den färdiga produkten frigöras från det omgivande pulvret.
• Modellering av säkringsdeposition (FDM): Lagrets smältprocess tar materialet på tryckplattan med ett uppvärmt munstycke, där det sedan stelnar.
• Tillverkning av ljussatta föremål: Materialet byggs upp lager för lager limmat ovanpå varandra och modelleras därefter med ett skärverktyg (laser eller kniv).
• Beräknad axial litografi (CAL): CAL-utskriftsprocessen projicerar ljus i ett flytande, ljuskänsligt harts, som sedan snabbt stelnar. Denna metod gör att objekt kan tillverkas på kortast möjliga tid.

Struktur för en 3D-skrivare

Industriella 3D-skrivare har vissa grundläggande komponenter som används baserat på den valda utskriftstekniken.

Ramar för 3D-skrivare

Ramen är den grundläggande monteringsstrukturen för alla elektroniska och strukturella 3D-skrivarkomponenter och utgör också grunden för högkvalitativa utskrifter. Det ger skrivaren stabilitet och struktur. Ju hårdare och styvare ramen är, desto bättre blir utskriftsresultaten. I industriella skrivare är ramarna ofta gjorda av robusta metallegeringar för att minimera vibrationer och för att säkerställa hög utskriftsnoggrannhet. På MISUMI hittar du ett brett utbud av ramkomponenter av hög kvalitet, såsom aluminiumdesignprofiler, tillbehör för linjära guider eller vinkelplattor.

Axlar i 3D-skrivare

Inom ett fast tredimensionellt utrymme måste den industriella 3D-skrivaren kunna nå varje punkt för att säkerställa utskrift av alla tänkbara former. Det finns följande axlar för detta:

• X-axel: Beskriver vägen horisontellt från vänster till höger
• Y-axel: Beskriver vägen horisontellt från vänster till höger
• Z-axel: Beskriver vägen vertikalt uppifrån och ned

Skrivarhuvudet rör sig längs X-axeln och Y-axeln, till exempel med hjälp av tandade remmar och stegmotorer.

Den vertikala rörelsen utförs av en stegmotor. Roterande rörelse överförs av en tandad rem till en ledskruv eller en skruvdrivenhet. Z-axelns slag bestämmer tjockleken på det applicerade materialskiktet.

Precisionen hos de enskilda överföringskomponenterna är avgörande för kvaliteten och den dimensionella noggrannheten hos objektet som ska skrivas ut.

Skrivarhuvud (extruder) för 3D-skrivare (FDM)

Extrudern överför filamentet (tryckt material) från råvarukällan, t.ex. en filamentrulle, till ett värmeblock med värme- och temperaturövervakning. Detta område kallas också den heta änden. Det flytande filamentet transporteras genom denna kanal till munstycket (munstycke) och appliceras på tryckplattan.

Det finns olika typer av filamenttransport genom extrudern. Här är några av de vanligaste typerna.

• Direktdrivning (direktdrivningsextruder): För denna metod drar en motor direkt filamentet in i extrudern, där det sedan transporteras in i värmeblocket. Motorn är placerad i munstyckets omedelbara närhet, vilket leder till en mer exakt materialapplicering. Denna metod används ofta i stationära 3D-skrivare.
• Bowden-extruder: I motsats till den direkta drivenheten har en Bowden-extruder inte motorn direkt på extrudern. Filamentet transporteras till extrudern genom ett flexibelt rör (böjt rör). Detta minskar extruderns vikt, vilket kan ha en positiv effekt på utskriftskvaliteten. Noggrannheten hos filamenttransporten kan dock vara något nedsatt i denna metod.

Båda varianterna kan utrustas med flera skrivhuvuden, så att olika material och färger kan bearbetas. Om 3D-skrivaren använder ett pulver istället för ett filament, används vanligtvis inte extruders; rullar används istället för att applicera materialet på utskriftsbädden.

Utskriftsbädd (byggplatta) i 3D-skrivare

Objektet byggs upp lager för lager på utskriftsbädden. Den kan värmas upp för att säkerställa bättre vidhäftning av materialet, för att undvika materialsvarvning och uppnå en förbättrad ytfinish. Materialet i utskriftsbädden påverkar också vidhäftningen. Glas-, keramiska eller gjutna aluminiumplattor är särskilt lämpliga här. Det är också möjligt att underlätta avlägsnandet av slutprodukten med hjälp av avtagbara plattor.

Styrenhet i 3D-skrivare

Styrenheten styr hela utskriftsprocessen. Den kan också användas för att kalibrera 3D-skrivaren. Kalibreringsprocessen är av avgörande betydelse för att förhindra utskriftsfel. En ojämn utskriftsbädd eller felaktigt justerade munstycken har en betydande inverkan på slutproduktens kvalitet.

Styrenheten måste tolka den digitala 3D-modellinformationen från en STL-fil eller annat filformat. För detta ändamål använder kontrollenheten skivprogramvara för att dela upp 3D-modellen i en sekvens av horisontella lager (snitt). Bland annat information om lagerhöjden, diametern på munstyckets öppning (munstyckesstorlek), tryckparametrarna, tryckmaterialets extrudering, temperaturerna och verktygsbanorna för skrivhuvudet och den resulterande G-koden genereras från detta.

Styrenheten styr 3D-skrivarens drivenheter för att exakt flytta skrivhuvudet och utskriftsbädden. Den omvandlar rörelserna som definieras i G-koden, med hänsyn till hastighet, acceleration och retardation.

Styrenheten styr extrudern som värmer upp tryckmaterialet, t.ex. filament, och applicerar det jämnt på byggplattan för att säkerställa att materialet fördelas jämnt. Temperaturen i 3D-skrivaren, extrudern och värmeelementen övervakas och kontrolleras.

Styrenheten övervakar naturligtvis utskriftsprocessen för fel och oegentligheter och reagerar därefter på eventuella problem, såsom materialstopp eller överhettning.

Ett grafiskt användargränssnitt (GUI) fungerar som ett gränssnitt för användaren att starta utskriftsprocessen, justera inställningar, styra skrivaren och ta emot statusmeddelanden och interagera därefter. Detta kan göras med en skärm eller pekskärm.

Styrenheten kan kommunicera med externa enheter via gränssnitt för att ta emot utskriftsjobb och utbyta data.

Axlar i 3D-skrivare

Axlar används som transmissionselement och som styrkomponenter för att möjliggöra förflyttning av komponenter, material, skrivhuvuden och andra viktiga komponenter.

När axlar används som transmissionselement överförs en rörelse från drivkällan till utgångssidan. Detta görs i kombination med exempelvis motor, kilremskivor och tandade remskivor, remmar, kedjor, kopplingar, växlar eller andra element.

Vissa 3D-skrivare använder kulskruvar istället för konventionella skruvstyrningar. Kulskruvar är mer exakta och har mindre friktion än konventionella skruvstyrningar. Detta leder till ännu bättre utskriftsnoggrannhet.

Som styrelement möjliggör skaft den exakta rörelsen av skrivhuvudet eller utskriftsbädden i olika riktningar. De är vanligtvis cylindriska och tillverkade av robusta material för att säkerställa noggrannhet och hållbarhet. Axeln är vanligtvis slät och har hög ytnoggrannhet för att tillåta lågfriktionsrörelse. För att styra axeln och möjliggöra rörelse monteras speciella linjära lager eller linjära gejder längs axeln.

Tandade remmar i 3D-skrivare

Tandade remmar omvandlar motorernas roterande rörelse till linjär rörelse hos skrivarens rörliga delar. Skrivhuvudena flyttas till exempel längs X-axeln och Y-axeln. De spelar en avgörande roll i tryckprocessens hastighet och precision. En fast passform och felfri kvalitet är avgörande. Annars kan det finnas efterklang som snedvrider slutprodukten. Tandade remmar är vanligtvis gjorda av elastomeriska material med insatta tandförstärkningar för att möjliggöra exakt kraftöverföring.

MISUMI erbjuder olika tandade remmar, axlar och andra tillbehör för både linjära och roterande rörelser. Du är garanterad att hitta en komponent för din specifika applikation.

Motorer i 3D-skrivare

Motorer spelar en nyckelroll för att flytta och placera skrivarhuvudet eller utskriftsbädden. Det finns olika typer av motorer som används i 3D-skrivare, som var och en uppfyller specifika uppgifter. Här är några av de vanligaste motorerna som finns i 3D-skrivare:

• Stegmotorer: Dessa flyttar skrivhuvudet och utskriftsbädden i exakta steg längs de olika axlarna.
• Servomotorer: De erbjuder hög hastighet och noggrannhet och används där exakt kontroll krävs.
• Likströmsmotorer: Används t.ex. för drift av rullar.
• Extrudermotorer: Ansvarar för extrudering av tryckmaterialet.

Industriell 3D-utskrift använder följande materialkategorier: filament, hartser och pulver. Filament är en lång, smal sträng som består av olika plaster, t.ex. PLA eller nylon. Den rullas upp på spolar och används främst i FDM-utskriftsprocessen.

För att minimera synligheten för de enskilda lagren när filamentmaterial används kan parametrarna justeras i skivprogrammets inställningar. Efterföljande ytbehandling, till exempel genom slipning, fyllning, beläggning, målning eller med olika svetsmetoder, kan vara nödvändig.

Pulverbaserade tryckmetoder möjliggör produktion av komplexa geometrier och funktionella delar. Metall-, plast- eller keramiska pulver kan till exempel användas som material.

Tryckprocessen med hartser använder flytande hartser, som härdas under påverkan av UV-ljus eller laserstrålar för att bygga upp trycklagren.

Olika hartsmaterial finns tillgängliga som erbjuder en mängd olika egenskaper, såsom hårdhet, flexibilitet, temperaturbeständighet och transparens. Detta material är mycket väl lämpat om utskriftsobjektet kräver precision och exakta detaljer.

Möjlig användning av 3D-skrivare

På mycket kort tid har 3D-utskrifter erövrat många områden i vårt liv, inklusive maskinteknik, anpassad maskinkonstruktion och prototypkonstruktion. Den snabba vändningen genom vilken komponenter kan tillverkas är särskilt intressant för många industriföretag. Lagringsutrymmet kan inte bara minskas på lång sikt, utan förändrade omständigheter och speciella tillämpningar kan också hanteras proaktivt.

Användning av 3D-skrivare kan i synnerhet påskynda produktutvecklingen med snabb prototyptillverkning.

Möjligheten att skapa komplexa geometrier gör att design och former snabbt kan anpassas till aktuella FoU-koncept.

Detta gör att designfel och problem kan identifieras och åtgärdas tidigt innan massproduktionen börjar.

I vissa fall kan själva prototypen fungera som en mall för massproduktion, särskilt för små satsproduktion eller individualiserade produkter.