Cum este construită o imprimantă 3D industrială și ce funcții execută piesele sale - arbori, curele dințate și cadre - funcționare

Imprimarea 3D a revoluționat producția industrială și construcția prototipurilor. Această tehnologie produce obiecte, strat cu strat, dintr-un model digital. Constă din componentele principale: În plus față de cadru, capul de imprimare, patul de imprimare, unitatea de control, arborii, curelele dințate și motoarele, un design tipic de imprimantă 3D necesită, în general, o serie de accesorii. Dar, cum funcționează mai exact o imprimantă 3D industrială? Acest articol evidențiază structura și funcția celor mai importante componente și numește pe scurt unele domenii de aplicare.

O imprimantă 3D creează obiecte tridimensionale prin aplicarea unui strat de material pe baza unui model digital. Acest lucru este denumit și proces de fabricație aditiv, din moment ce materialul este adăugat incremental la piesa de prelucrat nefinisată.

Procesul începe cu un fișier de design digital, adesea livrat în format STL (STL = Litografie stereo). Acesta este încărcat într-un software special în care modelul 3D este convertit într-un fișier de control care poate fi înțeles de imprimanta 3D. Acest fișier este convertit în așa-numitul cod G (codul G este un limbaj al mașinii pentru programarea mașinilor CNC). Modelul de date este împărțit de un software de secționare în straturi cod G sau straturi orizontale subțiri. Acest proces se numește secționare.

Imprimanta citește acest fișier și imprimă succesiv straturile prin aplicarea și solidificarea materialului - adesea plastic, rășină sau pulbere metalică - strat după strat până la crearea întregului obiect.

Procesul exact variază în funcție de tehnologia de imprimare, de exemplu, dacă materialul este topit prin încălzire (FDM) sau întărit prin expunerea la lumină (SLA). În prezent sunt disponibile următoarele tehnologii de imprimare:

• Stereolitografie (SLA): Un strat subțire de rășină sintetică este turnat într-o tavă. Un laser UV expune apoi zonele care urmează să fie polimerizate. Pentru această tehnologie este utilizată o imprimantă 3D.
• Stereolitografie mascată (MSLA): Procesul de imprimare MSLA iluminează selectiv rășina sintetică de dedesubt cu un afișaj LCD. Afișajul LCD formează o mască pentru fiecare strat de imprimare și blochează astfel lumina UV în locațiile specificate. În locul unui fascicul laser care scanează straturile, imprimantele MSLA utilizează o sursă de lumină ultravioletă de înaltă performanță.
• Sinterizare cu laser selectivă (SLS): Diverse materiale sub formă de pulbere sunt distribuite pe placa de imprimare și topite cu ajutorul laserelor. În cele din urmă, produsul finit trebuie eliberat de pulberea înconjurătoare.
• Modelare cu depunere fuzionată (FDM): Procesul de topire a stratului aduce materialul pe placa de imprimare cu o duză încălzită, unde este apoi solidificat.
• Fabricarea obiectelor luminate: Materialul este construit strat cu strat lipit unul peste celălalt și este modelat ulterior cu un instrument de tăiere (laser sau lamă).
• Litografie axială computerizată (CAL): Procesul de imprimare CAL proiectează lumina într-o rășină lichidă, sensibilă la lumină, care se solidifică rapid. Această metodă permite fabricarea obiectelor în cel mai scurt timp posibil.

Structura unei imprimante 3D

Imprimantele 3D industriale au anumite componente de bază care sunt utilizate pe baza tehnologiei de imprimare selectate.

Rame pentru imprimante 3D

Rama este structura de montare de bază pentru toate componentele electronice și structurale ale imprimantei 3D și constituie, de asemenea, baza pentru imprimare de calitate superioară. Oferă stabilitate și structură imprimantei. Cu cât cadrul este mai rigid și mai dur, cu atât rezultatele imprimării sunt mai bune. În cazul imprimantelor industriale, ramele sunt adesea realizate din aliaje metalice robuste pentru a minimiza vibrațiile și pentru a asigura o precizie ridicată a imprimării. La MISUMI veți găsi o gamă largă de componente ale unei rame de înaltă calitate, cum ar fi profiluri de design din aluminiu, accesorii pentru ghidaje liniare sau plăci unghiulare.

Axe în imprimantele 3D

Într-un spațiu tridimensional fix, imprimanta industrială 3D trebuie să poată ajunge în fiecare punct pentru a asigura imprimarea tuturor formelor posibile. Există următoarele axe pentru aceasta:

• Axa X: Descrie traseul orizontal de la stânga la dreapta
• Axa Y: Descrie traseul orizontal din față spre spate
• Axa Z: Descrie traseul vertical de sus în jos

Capul de imprimare se deplasează de-a lungul axei X și axei Y, de exemplu, prin intermediul curelelor dințate și al motoarelor pas cu pas.

Mișcarea verticală este realizată de un motor pas cu pas. Mișcarea rotativă este transferată de o curea dințată către un șurub de avans sau o șurubelniță. Cursa axei Z determină grosimea stratului de material aplicat.

Precizia componentelor individuale de transfer este decisivă pentru calitatea și acuratețea dimensională a obiectului care urmează să fie imprimat.

Cap de printare (extruder) al imprimantelor 3D (FDM)

Extruderul transportă filamentul (material imprimat) de la sursa de materie primă, de exemplu o rolă de filament, într-un bloc de încălzire cu încălzitor și monitorizare a temperaturii. Această zonă se mai numește și capăt fierbinte. Filamentul lichefiat este transportat prin acest canal către duză și este aplicat pe placa de imprimare.

Există diferite tipuri de transport al filamentului prin extruder. Iată câteva dintre cele mai frecvente tipuri:

• Acționare directă (extruder cu acționare directă): Pentru această metodă, un motor trage direct filamentul în extruder, unde este apoi transportat în blocul de încălzire. Motorul este situat în imediata vecinătate a duzei, ceea ce conduce la o aplicare mai precisă a materialului. Această metodă este utilizată adesea în imprimantele 3D de birou.
• Extruder Bowden: Spre deosebire de unitatea de acționare directă, un extruder Bowden nu are motorul direct pe extruder. Filamentul este transportat către extruder printr-un tub flexibil (tub Bowden). Acest lucru reduce greutatea extruderului, care poate avea un efect pozitiv asupra calității imprimării. Totuși, precizia transportării filamentului poate fi ușor afectată în această metodă.

Ambele variante pot fi echipate cu mai multe capete de imprimare, astfel încât să poată fi procesate materiale și culori diferite. Dacă imprimanta 3D utilizează o pulbere în loc de un filament, de obicei nu se utilizează extrudere; rolele sunt utilizate în schimb pentru a aplica materialul pe patul de imprimare.

Pat de imprimare (placă de construcție) în imprimante 3D

Obiectul este construit strat cu strat pe patul de imprimare. Poate fi încălzit pentru a asigura o aderență mai bună a materialului, pentru a evita deformarea materialului și pentru a obține o finisare îmbunătățită a suprafeței. Materialul patului de imprimare influențează, de asemenea, aderența. Plăcile din sticlă, ceramică sau aluminiu turnat sunt deosebit de potrivite pentru această aplicație. De asemenea, este posibilă facilitarea îndepărtării produsului final prin intermediul unor plăci detașabile.

Unitatea de control din imprimantele 3D

Unitatea de comandă controlează întregul proces de imprimare. De asemenea, poate fi utilizată pentru a calibra imprimanta 3D. Procesul de calibrare are o importanță crucială pentru a preveni erorile de imprimare. Un pat de imprimare neuniform sau duzele reglate incorect au o influență semnificativă asupra calității produsului final.

Unitatea de comandă trebuie să interpreteze informațiile modelului 3D digital dintr-un fișier STL sau alt format de fișier. În acest scop, unitatea de comandă utilizează software de secționare pentru a împărți modelul 3D într-o secvență de straturi orizontale (secțiuni). Printre altele, informațiile despre înălțimea stratului, diametrul deschiderii duzei (dimensiunea duzei), parametrii de imprimare, extrudarea materialului de imprimare, temperaturile și traiectoriile uneltei capului de imprimare și codul G rezultat sunt generate din aceasta.

Unitatea de comandă controlează unitățile de acționare ale imprimantei 3D pentru a deplasa cu precizie capul de imprimare și patul de imprimare. Aceasta convertește mișcările definite în codul G, luând în considerare viteza, accelerația și decelerația.

Unitatea de comandă controlează extruderul care încălzește materialul de imprimare, precum filamentul, și îl aplică uniform pe placa de construcție pentru a se asigura că materialul este distribuit uniform. Temperatura din imprimanta 3D, extruderul și elementele de încălzire sunt monitorizate și controlate.

Desigur, unitatea de comandă monitorizează procesul de imprimare pentru a depista eventualele erori și nereguli și reacționează în consecință la orice probleme, cum ar fi blocarea sau supraîncălzirea materialului.

O interfață grafică cu utilizatorul (GUI) servește drept interfață pentru ca utilizatorul să înceapă procesul de imprimare, să ajusteze setările, să controleze imprimanta și să primească mesaje de stare și să interacționeze în consecință. Acest lucru se poate face cu un afișaj sau cu un ecran tactil.

Unitatea de comandă poate comunica cu dispozitive externe prin interfețe pentru a primi lucrări de imprimare și pentru a face schimb de date.

Axuri în imprimantele 3D

Tijele sunt utilizate ca element de transmisie și ca componente de ghidare pentru a permite deplasarea componentelor, materialului, capetelor de printare și a altor componente importante.

Când arborii sunt utilizați ca element de transmisie, o mișcare este transmisă de la sursa de acționare către partea de ieșire. Acest lucru se realizează în combinație cu, de exemplu, motor, scripeți cu curea în formă de v și scripeți cu curea dințată, curele, lanțuri, cuplaje, angrenaje sau alte elemente.

Unele imprimante 3D utilizează unități cu șurub cu bilă în locul ghidajelor convenționale cu șurub. Acționarea șuruburilor cu bilă este mai precisă și are mai puțină frecare decât ghidajele convenționale. Acest lucru duce la o acuratețe și mai bună a imprimării.

Ca elemente de ghidare, axele permit mișcarea precisă a capului de imprimare sau a patului de imprimare în diferite direcții. De obicei, acestea sunt cilindrice și sunt realizate din materiale robuste, pentru a asigura acuratețea și durabilitatea. Axul este de obicei neted și are o precizie ridicată a suprafeței, pentru a permite o mișcare cu frecare redusă. Pentru a ghida axul și a permite mișcarea, sunt montate lagăre liniare speciale sau ghidaje liniare de-a lungul axului.

Curele dințate în imprimantele 3D

Curelele dințate convertesc mișcarea rotativă a motoarelor în mișcare liniară a componentelor mobile ale imprimantei. De exemplu, capetele de printare sunt deplasate de-a lungul axei X și axei Y. Acestea joacă un rol decisiv în viteza și precizia procesului de imprimare. O potrivire fermă și o calitate perfectă sunt aspecte cruciale. În caz contrar, pot exista reverberații care deformează produsul final. Curelele dințate sunt de obicei fabricate din materiale elastomerice cu elemente de ranforsare dentară introduse, pentru a permite transmiterea precisă a forței.

MISUMI oferă diferite curele dințate, axuri și alte accesorii pentru mișcări liniare și rotative. Vi se garantează că veți găsi o componentă pentru aplicația dvs. specifică.

Motoare în imprimante 3D

Motoarele joacă un rol cheie în mutarea și poziționarea capului de imprimare sau a patului de imprimare. Există diferite tipuri de motoare utilizate în imprimantele 3D, fiecare îndeplinind sarcini specifice. Iată câteva dintre cele mai comune motoare din imprimantele 3D:

• Motoare pas cu pas: Acestea deplasează capul de imprimare și patul de imprimare în pași exacți de-a lungul diferitelor axe.
• Servomotoare: Acestea oferă viteză și precizie ridicate și sunt utilizate acolo unde este necesar un control precis.
• Motoare c.c.: Sunt utilizate, de exemplu, pentru rolele de acționare.
• Motoare ale extruderului: Sunt responsabile pentru extrudarea materialului de imprimare.

Imprimarea 3D industrială utilizează următoarele categorii de materiale: filament, rășini și pulbere. Filamentul este un fir lung, îngust, alcătuit din diferite materiale plastice, de ex., PLA sau nailon. Acesta este rulat pe bobine și este utilizat în principal în procesul de imprimare FDM.

Pentru a minimiza vizibilitatea straturilor individuale atunci când se utilizează materiale tip filament, parametrii pot fi ajustați în setările software-ului de secționare. Poate fi necesară finisarea ulterioară a suprafeței, cum ar fi prin șlefuire, umplere, acoperire, vopsire sau prin diverse metode de sudură.

Metodele de imprimare pe bază de pulbere permit producerea de geometrii și piese funcționale complexe. De exemplu, pot fi utilizate ca material pulberi metalice, plastice sau ceramice.

Procesul de imprimare cu rășini utilizează rășini lichide care sunt întărite sub influența luminii UV sau a fasciculelor laser, pentru a construi straturile de imprimare.

Sunt disponibile diverse materiale pe bază de rășină care oferă o varietate de proprietăți, cum ar fi duritate, flexibilitate, rezistență la temperatură și transparență. Acest material este foarte potrivit dacă obiectul imprimat necesită precizie și detalii precise.

Posibile utilizări ale imprimantelor 3D

Într-un timp foarte scurt, imprimarea 3D a cucerit multe domenii ale vieții noastre, inclusiv ingineria mecanică, construcția de mașini personalizate și construcția de prototipuri. Revenirea rapidă prin care pot fi fabricate componentele este deosebit de interesantă pentru multe companii industriale. Nu numai că spațiul de depozitare poate fi redus pe termen lung, dar schimbarea circumstanțelor și a aplicațiilor speciale pot fi abordate în mod proactiv.

Utilizarea imprimantelor 3D poate accelera în special dezvoltarea produselor prin crearea rapidă de prototipuri.

Capacitatea de a crea geometrii complexe permite adaptarea rapidă a designurilor și formelor la conceptele de cercetare și dezvoltare actuale.

Acest lucru permite identificarea și rezolvarea timpurie a erorilor și problemelor de proiectare, înainte de începerea producției în masă.

În unele cazuri, prototipul în sine poate servi drept model pentru producția în masă, în special pentru producția în loturi mici sau produse individualizate.