Pencetakan 3D, juga dikenal sebagai manufaktur aditif, dapat dicetak lapis demi lapis melalui prosedur yang telah ditetapkan dan model digital, menggunakan penyemprotan bubuk dan metode lainnya, dan pada akhirnya memperoleh produk tiga dimensi dengan presisi tinggi. Dibandingkan dengan pencetakan datar konvensional, pencetakan 3D dapat menyediakan model tiga dimensi tiga dimensi; dibandingkan dengan pemrosesan biasa, pencetakan 3D memiliki tingkat presisi dan otomatisasi yang lebih tinggi. Hal ini didasarkan pada keunggulan di atas, sehingga teknologi pencetakan 3D dalam waktu singkat mempromosikan penggunaan yang cepat. Tentu saja, teknologi juga menghadapi banyak tantangan yang harus diatasi, seperti material, peralatan, standar industri. Prospek pasar pencetakan 3D sangat luas, dalam pemahaman dan penggunaan teknologi pencetakan 3D, berdasarkan pada teknologi pencetakan 3D, dan secara aktif mengeksplorasi strategi inovasi dan optimalisasi teknologi pencetakan 3D, juga menjadi topik penelitian populer.
1. Prinsip Dasar dan Karakteristik Teknis Pencetakan 3D
Pencetakan 3D, sebagai teknologi mutakhir di bidang industri manufaktur, memadukan berbagai macam teknologi, antara lain teknologi manufaktur berlapis, teknik mesin, teknologi CNC, CAD, teknologi laser, teknologi rekayasa balik, ilmu material, dll. , dengan cepat, otomatis dan akurat mengubah desain model elektronik menjadi prototipe dengan fungsi tetap atau langsung memproduksi suku cadang, sehingga menyediakan metode berbiaya rendah dan efisien untuk produksi prototipe suku cadang dan verifikasi ide desain baru. Prinsip dasar teknologi pencetakan 3D adalah proses kebalikan dari tomografi. Tomografi adalah sesuatu yang "dipotong" menjadi irisan-irisan bertumpuk yang tak terhitung jumlahnya, pencetakan 3D dilakukan melalui superposisi lapisan fisik yang berkesinambungan, lapis demi lapis untuk meningkatkan material untuk menghasilkan teknologi padat tiga dimensi, sehingga teknologi manufaktur pencetakan 3D juga dikenal sebagai "teknologi manufaktur aditif.
Dibandingkan dengan teknologi pencetakan dan proses manufaktur tradisional, karakteristik pencetakan 3D terkonsentrasi pada aspek-aspek berikut: pertama, penyelesaian pencetakan satu kali, tanpa perlu pemotongan berulang-ulang, penggilingan, penyederhanaan proses produksi produk, pemendekan siklus produksi. Teknisi perlu memperoleh koordinat tiga dimensi dan karakteristik struktural produk terlebih dahulu, lalu menggunakan perangkat lunak khusus di komputer untuk menghasilkan model tiga dimensi, dan terakhir menggunakan printer 3D yang dikendalikan komputer untuk menyelesaikan pencetakan dan pembuatan produk. , benar-benar menyadari "apa yang Anda lihat adalah apa yang Anda dapatkan". Kedua, biayanya lebih rendah, terutama dalam produksi massal, dibandingkan dengan pengolahan tradisional dan manufaktur mempunyai keunggulan biaya yang lebih signifikan. Dari sudut pandang mode produksi, teknologi pencetakan 3D hanya perlu mendapatkan koordinat tiga dimensi produk dan merancang model produk tiga dimensi, selebihnya pekerjaan dilakukan secara otomatis oleh peralatan, hanya satu orang yang dapat menyelesaikannya, biaya tenaga kerja dan waktu rendah. Terakhir, tingkat presisi produk lebih tinggi, terutama dalam pembuatan suku cadang presisi, keakuratan produk yang diperoleh dengan pencetakan 3D dapat mencapai level 0.01mm, dan dukungan untuk 32-warna bit pencetakan.
Peralatan, material, dan teknologi adalah tiga elemen inti pencetakan 3D. Dalam hal peralatan, ini terutama mencakup printer 3D, pemindai 3D, pengukir laser 3D, pelacak laser, dll.; dari segi bahan, bahan yang umum digunakan antara lain resin fotosensitif, bubuk plastik, bubuk tulang, PLA, dll.; dalam hal teknologi, ini mencakup berbagai teknologi utama, seperti teknologi 3DP, teknologi cetakan deposisi leburan FDM (FDM), dan teknologi pengawetan sinar laser SLA. Metode pengoperasian, prinsip dasar dan keunggulan penerapan teknologi ini sangat berbeda, sebagai berikut.
2. Teknologi Percetakan 3DP
Teknologi pencetakan tiga dimensi (3DP) adalah metode pencetakan 3D yang paling umum digunakan pada tahap ini. Peralatan yang digunakan adalah printer inkjet standar yang dapat disesuaikan dengan berbagai bahan cetak bubuk, seperti bubuk keramik, bubuk plastik, dan bubuk tulang. Setelah pra-pemrograman dan pemodelan, lapisan bubuk diletakkan di bawah kendali perintah komputer, dan kemudian nosel digerakkan untuk menyemprotkan perekat melalui nosel ke area yang ditentukan, sehingga bahan bubuk tersebut terikat bersama. Setelah selesai pencetakan lapisan pertama, Anda bisa mendapatkan prototipe produk, kemudian terus mengulangi langkah di atas, setelah banyak meletakkan bedak, menyemprot, mengikat, dan akhirnya mendapatkan produk yang diinginkan. Jika Anda perlu mencetak produk berwarna, Anda dapat memilih pengikat warna yang sesuai.
SLA terbuat dari resin fotosensitif, bahan cair yang jika disinari sinar UV dengan panjang gelombang tertentu (x=325nm) dan intensitas (w=30mw) dapat dengan cepat mengalami reaksi fotopolimerisasi, molekuler berat material bertambah drastis, dan material berubah dari wujud cair menjadi padat. Tangki cairan pertama-tama akan diisi dengan resin fotosensitif cair, laser helium-kadmium atau laser ion argon yang dipancarkan oleh sinar laser UV di komputer di bawah manipulasi benda kerja sesuai dengan lapisan data penampang dalam pemindaian permukaan resin fotosensitif cair garis demi garis dan titik demi titik, yang membuat area pemindaian lapisan resin menghasilkan polimerisasi dan pengawetan dari pembentukan lapisan tipis benda kerja. Setelah lapisan diawetkan, meja dipindahkan ke bawah satu ketebalan lapisan dan lapisan resin cair baru diterapkan pada permukaan resin yang diawetkan sebelumnya hingga diperoleh model padat 3D.
Peralatan yang digunakan dalam proses SLS meliputi laser, cermin pemindai, dan roller leveling. Proses teknisnya adalah sebagai berikut: pertama-tama, letakkan lapisan bahan bubuk dengan ketebalan yang sesuai di atas meja kerja, dengan mengutamakan resin fotosensitif, bubuk parafin, bubuk plastik, umumnya tidak menggunakan bubuk keramik, bubuk logam. Kemudian atur programnya, baca modelnya, dalam instruksi kontrol komputer, laser akan mengirimkan sinar laser, dan melalui cermin pemindaian iradiasi bahan bubuk di atas meja. Karena laser memiliki energi yang sangat tinggi, ia akan menyinter bahan bubuk, pertama-tama membentuk kontur luar produk, dan kemudian melanjutkan meletakkan bubuk, menyinter bubuk dari luar ke dalam, dan setelah berkali-kali meletakkan bubuk, berkali-kali sintering, pembentukan akhir produk yang diinginkan. Dibandingkan dengan metode pencetakan 3D di atas, proses teknologi sintering laser selektif berbasis SLS relatif sederhana, dan kecepatan produksi produk lebih cepat. Namun teknologi ini juga memiliki kekurangan, seperti bahan cetak selektif, serbuk logam, serbuk keramik dalam proses sintering perlu mengkonsumsi lebih banyak energi yang akan menyebabkan kenaikan biaya, sehingga untuk logam, keramik sebagai produk bahan utama tidak. tepat untuk memilih teknologi ini.
Teknologi ini memiliki beberapa kesamaan dengan teknologi pencetakan flatbed stereo SLA yang dijelaskan di atas, dengan perbedaan utama adalah penggunaan DLP (Digital Light Processor). Setelah menyiapkan fotopolimer cair, prosesor cahaya digital presisi tinggi dipasang tepat di atas material, dan teknisi menyesuaikan peralatan, memindahkan berkas cahaya ke koordinat (0.0), dan menyelesaikan penyinaran di bawah kendali instruksi komputer, sehingga bahan cair disembuhkan secara bertahap. Proses light curing juga merupakan curing lapis demi lapis, namun kecepatan curing lebih cepat dan presisi pencetakan produk lebih tinggi. Selain itu, ia memiliki keunggulan dibandingkan teknologi pencetakan 3D lainnya dalam hal kehalusan permukaan. Namun, terdapat kekurangan, seperti fotopolimer cair dengan kemurnian tinggi, yang dapat berdampak buruk pada kinerja produk akhir jika tercampur dengan kotoran.
Proses LOM menggunakan bahan lembaran tipis, seperti kertas atau film plastik. Permukaan lembaran sebelumnya dilapisi dengan perekat lelehan panas. Selama pemrosesan, rol pengepres panas menekan lembaran dengan panas untuk mengikatnya dengan benda kerja yang terbentuk di bawah; laser CO2 digunakan untuk memotong kontur penampang bagian dan rangka luar benda kerja pada lapisan baru yang baru saja direkatkan, dan untuk memotong kisi-kisi sejajar atas dan bawah di area berlebih di antara kontur penampang dan rangka luar; setelah pemotongan laser selesai, benda kerja yang terbentuk diturunkan oleh meja kerja untuk memisahkannya dari lembaran strip (sabuk material); mekanisme suplai material memutar sumbu pengambilan dan sumbu suplai material untuk menggerakkan sabuk material sehingga produk akhir tidak memiliki kinerja negatif. Mekanisme pengumpanan memutar sumbu pengambilan dan sumbu pengumpan, menggerakkan sabuk material untuk bergerak, sehingga lapisan baru berpindah ke area pemrosesan; meja kerja naik ke bidang pemrosesan; roller tekanan panas tekanan panas, jumlah lapisan benda kerja bertambah satu lapisan, dan tingginya bertambah satu ketebalan material; lalu memotong kontur penampang pada layer baru. Hal ini diulangi sampai semua bagian terikat dan dipotong, sehingga menghasilkan bagian padat yang dibuat berlapis-lapis.
PCM adalah teknologi pencetakan 3D baru yang dikembangkan oleh Universitas Tsinghua pada tahun 2013. Proses pengoperasiannya adalah sebagai berikut: pertama, model CAD bagian tersebut digambar di komputer, kemudian parameter model disimpan dalam bentuk file STL . Model CAD diubah menjadi model casting sesuai dengan model bagian. Lapisan dari atas ke bawah, penggunaan peralatan pemindaian, pemindaian lapisan demi lapisan, setelah selesainya model pemindaian koordinat tiga dimensi, dan kemudian mulai dari bawah ke atas pasir, ikatan. Dua nozel digunakan dalam proses pengecoran, satu untuk menginjeksi bahan pengikat dan yang lainnya untuk menginjeksi katalis. Kedua bahan tersebut disemprotkan secara bersamaan, dan jika bersentuhan, terjadi reaksi koloid, membentuk lapisan bahan yang kuat. Setelah menyelesaikan lapisan pertama, dilakukan lapisan kedua dan ketiga secara berurutan hingga diperoleh produk akhir.
3. Area penerapan dan batasan teknologi pencetakan 3D
Sejak kemunculan printer 3D komersial pertama pada tahun 1986, teknologi pencetakan 3D baru dikembangkan selama lebih dari 30 tahun, namun telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti konstruksi, kedokteran, dan penerbangan. Dalam industri konstruksi, teknologi pencetakan 3D dikombinasikan dengan teknologi BIM untuk membuat model 3D sebuah bangunan di komputer dan kemudian mencetaknya. Melalui model bangunan tiga dimensi 3D, dukungan teknis diberikan dalam tampilan bangunan, referensi konstruksi, dll. Dalam industri medis, teknologi pencetakan 3D digunakan untuk menghasilkan simulasi tulang buatan, dengan aplikasi klinis yang ideal. Selain itu, dokter juga dapat menggunakan teknologi pencetakan 3D untuk menghasilkan model patologis, pratinjau pembedahan dalam situasi simulasi, merancang program pembedahan, dan meningkatkan tingkat keberhasilan pembedahan. Di bidang kedirgantaraan, penggunaan pencetakan 3D dapat menghasilkan komponen berpresisi tinggi yang memenuhi standar desain dan persyaratan penggunaan, seperti bilah turbin mesin, nozel bahan bakar terintegrasi, dll., yang juga berkontribusi positif terhadap peningkatan kinerja pesawat ruang angkasa secara keseluruhan. Selain itu, seperti pembuatan cetakan injeksi di industri manufaktur, serta pembuatan barang konsumsi yang dipersonalisasi, dll., dengan kematangan teknologi pencetakan 3D dan pengurangan biaya penggunaan, juga telah dipromosikan satu demi satu. .
Teknologi pencetakan 3D dalam proses promosi dan penggunaan, tidak hanya menyoroti keunggulan aplikasi, tetapi juga menghadapi lebih banyak batasan. Dari sudut pandang tahap kondisi teknis saat ini, faktor-faktor yang membatasi pengembangan dan promosi pencetakan 3D terutama meliputi hal-hal berikut: Pertama, materi. Melalui analisa di atas terlihat bahwa bahan cetak 3D saat ini sebagian besar adalah resin fotosensitif, keramik, parafin dan lain sebagainya. Dalam konteks perluasan bidang aplikasi, terbatasnya jumlah bahan jelas tidak dapat memenuhi persyaratan di beberapa bidang yang sedang berkembang. Misalnya, tidak mungkin menggunakan bahan logam dan paduan untuk pencetakan 3D, sehingga penerapannya dibatasi. Selain harga bahan yang relatif mahal, dalam pencetakan batch, biaya yang mahal juga menjadi faktor pembatas. Kedua, dari segi perlengkapan, harga perlengkapan harus diturunkan jika teknologi pencetakan 3D ingin dikomersialkan sepenuhnya. Pada tahap ini, harga printer 3D biasa adalah sekitar 5,000 yuan, dan jika ada persyaratan presisi yang lebih tinggi, harga peralatan berkisar antara 10,000 hingga beberapa puluh ribu . Ini masih merupakan konsumsi yang tinggi bagi pengguna biasa, yang menghambat popularitas penuh pencetakan 3D.
Tren perkembangan teknologi pencetakan 4.3D
Teknologi pencetakan 3D memiliki prospek yang luas untuk dikembangkan, dalam konteks skala pasar yang semakin luas, agar pencetakan 3D dapat distandarisasi dan dikembangkan secara industri, perlu untuk memperkuat desain tingkat atas dan standar industri yang baik. Oleh departemen pemerintah terkait, atau otoritas industri, sesegera mungkin untuk mempersiapkan dan memperkenalkan sistem standar terpadu, termasuk standar produksi material, standar penelitian dan pengembangan peralatan, standar penilaian teknologi. Dengan sistem standar yang sempurna, perkembangan teknologi pencetakan 3D memberikan jaminan yang kuat. Misalnya, dalam beberapa tahun terakhir, banyak unit penelitian telah melakukan eksplorasi mendalam pada material nano, komposit polimer, dan material gradien fungsional. Setelah penerapan standar terpadu, parameter dan standar berbagai jenis bahan akan diatur, dan saat membeli bahan cetak 3D, kami akan memeriksa apakah bahan tersebut sesuai dengan spesifikasi standar, sehingga dapat mengakhiri rendahnya harga. kualitas, bahan "pondok" dan menjamin kinerja dan kualitas produk cetakan.
Saat ini, teknologi pencetakan 3D memerlukan spesialisasi tingkat tinggi dalam desain produk dan pemrosesan parameter saat diterapkan. Selain menambah beban staf, hal ini juga menimbulkan masalah tingginya ambang batas masuk. Oleh karena itu, dengan berkembangnya teknologi AI dan teknologi big data, masa depan teknologi pencetakan 3D akan berkembang ke arah kecerdasan dan kesederhanaan, sehingga memberikan pengalaman yang lebih baik kepada pengguna. Jalur pengembangan spesifik mencakup dua aspek: satu adalah perangkat keras, yaitu peralatan pencetakan 3D. Selain semakin menurunkan harga peralatan, juga harus menyediakan fungsi yang lebih manusiawi, seperti fungsi visualisasi, untuk menampilkan keseluruhan proses pencetakan 3D, pengguna dapat menyesuaikan parameter pencetakan kapan saja sesuai dengan layar real-time, yaitu kondusif untuk memperoleh produk cetak yang diinginkan; yang kedua adalah perangkat lunak, menyediakan perangkat lunak desain, perangkat lunak kontrol pencetakan, dan perangkat lunak fungsional lainnya untuk mendukung lebih banyak jenis kebutuhan pencetakan.
Peralatan percetakan dan bahan percetakan menjadi kunci penerapan dan pengembangan teknologi pencetakan 3D. R&D yang cocok untuk kebutuhan pencetakan 3D berbagai jenis bahan, namun juga menjadi langkah selanjutnya dalam pengembangan inovasi teknologi ini yang penting. Selain bahan resin fotosensitif yang lebih umum digunakan, bahan bubuk polimer, seperti bahan bubuk parafin, bahan bubuk pasir pelapis, bahan serbuk logam, serta bahan kawat leburan, bahan komposit kayu-plastik, dll., diharapkan dapat digunakan. dipromosikan dalam pencetakan 3D. Selain menyediakan bahan pendukung yang lebih beragam, kinerja bahan, soliditas, dan kemampuan beradaptasi khusus terhadap lingkungan juga akan sangat ditingkatkan, sehingga produk pencetakan 3D dapat digunakan di berbagai bidang dan lingkungan untuk memainkan keunggulan aplikasi yang nyata.
5. Ringkasan
Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi pencetakan 3D telah menunjukkan keunggulan penerapan yang kuat di banyak bidang, dan banyak suku cadang serta produk presisi berdasarkan teknologi pencetakan 3D juga membawa dampak positif dalam mendorong perkembangan dan inovasi industri. Perlu dicatat bahwa dengan semakin meluasnya cakupan penerapan teknologi pencetakan 3D, juga menghadapi beberapa hambatan, terutama dari segi bahan dan peralatan. Di masa depan, kita harus memperhatikan penelitian dan pengembangan teknologi pendukung, menyediakan lebih banyak bahan cetak alternatif, serta mengurangi biaya peralatan pencetakan, meningkatkan tingkat operasi pencetakan yang manusiawi dan cerdas, sehingga dapat memberikan dukungan teknis untuk pembangunan sosial dan ekonomi.
