Thực đơn
In 3D
Một số quy trình in 3D khác nhau đã được phát minh ra từ cuối năm 1970. Các máy in ban đầu lớn, đắt tiền, và rất hạn chế trong những gì họ có thể sản xuất.[3]
Một số lượng lớn của các quá trình phụ đang có sẵn. Sự khác biệt chính giữa các tiến trình đang trong cách lớp lắng đọng để tạo các bộ phận và trong các vật liệu được sử dụng. Một số phương pháp làm tan hoặc làm mềm nguyên liệu để sản xuất các lớp, ví dụ như chọn lọc nóng chảy bằng laser (SLM) hoặc kim loại thiêu kết trực tiếp bằng laser (DMLS), tia laser thiêu kết có chọn lọc (SLS), mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM),[28] hoặc hợp nhất chế tạo dây tóc (FFF), trong khi những người khác chữa vật liệu lỏng sử dụng các công nghệ tinh vi khác nhau, ví dụ như stereolithography (SLA). Với nhiều lớp đối tượng sản xuất (LOM), lớp mỏng được cắt thành hình và nối lại với nhau (ví dụ như giấy, nhựa, kim loại). Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng của nó, đó là lý do tại sao một số công ty do đó cung cấp một sự lựa chọn giữa bột và polymer vật liệu sử dụng để xây dựng các đối tượng.[29] Các công ty khác đôi khi được sử dụng tiêu chuẩn, off-the-shelf giấy kinh doanh như xây dựng nguyên liệu để sản xuất một mẫu thử nghiệm độ bền cao. Các vấn đề chính trong việc lựa chọn một máy nói chung là tốc độ, chi phí của máy in 3D, chi phí của các mẫu thử nghiệm, chi phí in ấn và lựa chọn vật liệu, màu sắc và khả năng.[30]
Máy in làm việc trực tiếp với các kim loại đắt tiền. Trong một số trường hợp, tuy nhiên, máy in rẻ tiền hơn có thể được sử dụng để làm cho một khuôn, mà sau đó được sử dụng để tạo các bộ phận kim loại.[31]
Mô hình lắng đọng hợp nhất (FDM) được phát triển bởi S. Scott Crump vào cuối những năm 1980 và đã được thương mại hóa vào năm 1990 bởi Stratasys.[32] Sau khi bằng sáng chế về công nghệ này đã hết hạn, một cộng đồng phát triển mã nguồn mở được phát triển lớn và cả thương mại và DIY biến thể sử dụng loại máy in 3D xuất hiện. Kết quả là, giá của công nghệ này đã giảm hai bậc từ những sáng tạo.
Trong tụ hợp nhất mô hình hóa các mô hình hoặc một phần được sản xuất bằng cách đùn hạt nhỏ chất đó cứng lại ngay lập tức để tạo thành lớp. Một nhiệt dẻo sợi hoặc dây kim loại được quấn trên một cuộn dây được unreeled để cung cấp nguyên liệu cho một đùn đầu vòi phun. Các đầu vòi phun làm nóng vật liệu và biến dòng chảy và tắt. Thông thường stepper động cơ hoặc động cơ servo được sử dụng để di chuyển đầu phun ra và điều chỉnh dòng chảy. Người đứng đầu có thể được di chuyển theo cả hai chiều ngang và dọc, và kiểm soát của cơ chế này thường được thực hiện bởi một sản xuất máy tính hỗ trợ gói (CAM) phần mềm chạy trên một vi điều khiển.
Polyme khác nhau được sử dụng, bao gồm cả acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polycarbonate (PC), axit polylactic (PLA), polyethylene mật độ cao (HDPE), PC / ABS, polyphenylsulfone (PPSU) và tác động cao polystyrene (HIPS). Nói chung, các polymer là trong các hình thức của một sợi chế tạo từ nhựa nguyên sinh. Có nhiều dự án trong cộng đồng mã nguồn mở nhằm xử lý hậu tiêu dùng chất thải nhựa thành sợi. Liên quan đến máy được sử dụng để cắt nhỏ và extrude các vật liệu nhựa vào sợi.
FDM được phần nào bị hạn chế trong các biến thể của hình dạng mà có thể được chế tạo. Ví dụ, FDM thường không có thể sản xuất các cấu trúc thạch nhũ giống như, vì họ sẽ không được hỗ trợ trong quá trình xây dựng. Nếu không, một hỗ trợ mỏng phải được thiết kế thành các cấu trúc có thể bị vỡ ra trong khi xử lý.
Polyme khác nhau được sử dụng, bao gồm cả acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polycarbonate (PC), axit polylactic (PLA), polyethylene mật độ cao (HDPE), PC / ABS, polyphenylsulfone (PPSU) và tác động cao polystyrene (HIPS). Nói chung, các polymer là trong các hình thức của một sợi chế tạo từ nhựa nguyên sinh. Có nhiều dự án trong cộng đồng mã nguồn mở nhằm xử lý hậu tiêu dùng chất thải nhựa thành sợi. Liên quan đến máy được sử dụng để cắt nhỏ và extrude các vật liệu nhựa vào sợi.
FDM được phần nào bị hạn chế trong các biến thể của hình dạng mà có thể được chế tạo. Ví dụ, FDM thường không có thể sản xuất các cấu trúc thạch nhũ giống như, vì họ sẽ không được hỗ trợ trong quá trình xây dựng. Nếu không, một hỗ trợ mỏng phải được thiết kế thành các cấu trúc có thể bị vỡ ra trong khi xử lý.[33]
Selective Laser trình thiêu kết (SLS) đã được phát triển và cấp bằng sáng chế của tiến sĩ Carl Deckard và Tiến sĩ Joseph Beaman, Iowa tại Đại học Texas tại Austin vào giữa những năm 1980, dưới sự bảo trợ của DARPA.[34] Một quá trình tương tự đã được cấp bằng sáng chế mà không bị thương mại hóa bởi RF Housholder vào năm 1979.[35]
Chọn lọc tia laser nóng chảy (SLM) không sử dụng quá trình thiêu kết cho các phản ứng tổng hợp hạt bột nhưng sẽ hoàn toàn tan bột dùng laser năng lượng cao để tạo ra vật liệu hoàn toàn dày đặc trong một phương thức lớp khôn ngoan có tính chất cơ học tương tự như của các kim loại được sản xuất thông thường.
Chùm tia điện tử nóng chảy (EBM) là một loại tương tự của phụ gia công nghệ sản xuất cho các bộ phận kim loại (ví dụ như hợp kim titan). EBM sản xuất các bộ phận bằng kim loại nóng chảy lớp bột của lớp với một chùm tia điện tử trong chân không cao. Không giống như các kỹ thuật thiêu kết kim loại hoạt động dưới nhiệt độ nóng chảy, phần EBM là hoàn toàn dày đặc, void-miễn phí, và rất mạnh mẽ.[36][37]
Một phương pháp khác bao gồm một 3D in phun hệ thống. Các máy in tạo ra các mô hình một lớp tại một thời gian bằng cách trải một lớp bột (thạch cao, hoặc nhựa) và in một chất kết dính trong các mặt cắt ngang của phần sử dụng một quá trình in phun như thế nào. Điều này được lặp đi lặp lại cho đến khi tất cả các lớp đã được in. Công nghệ này cho phép in ấn các nguyên mẫu đầy đủ màu sắc, nhô ra, và các bộ phận đàn hồi. Sức mạnh của bản in bột ngoại quan có thể được tăng cường bằng sáp hoặc nhiệt rắn polymer ngâm tẩm.
Trong một số máy in, giấy có thể được sử dụng làm vật liệu xây dựng, dẫn đến chi phí thấp hơn để in. Trong những năm 1990 một số công ty trên thị trường máy in mà cắt mặt cắt ngang ra đặc biệt dính bọc giấy sử dụng một laser carbon dioxide và sau đó ép chúng lại với nhau.
Năm 2005 Mcor Technologies Ltd đã phát triển một quy trình khác nhau bằng cách sử dụng thông thường của tấm giấy văn phòng, một tungsten carbide lưỡi để cắt hình dạng, và lắng đọng có chọn lọc các chất kết dính và áp lực để liên kết các nguyên mẫu.[38]
Ngoài ra còn có một số công ty bán máy in mà in nhiều lớp đối tượng sử dụng tấm nhựa và kim loại mỏng.
Stereolithography được cấp bằng sáng chế vào năm 1986 bởi Chuck Hull.[39] PPhotopolymerization chủ yếu được sử dụng trong stereolithography (SLA) để sản xuất một phần rắn từ chất lỏng. Quá trình này định nghĩa lại một cách đáng kể các nỗ lực trước đó, từ "photosculpture" phương pháp của François Willème (1830-1905) vào năm 1860 thông qua các photopolymerization của Matsubara Mitsubishi năm 1974[40] Các phương pháp "photosculpture" gồm chụp một đối tượng từ một loạt các cách đều góc và chiếu mỗi bức ảnh lên một màn hình, nơi một pantagraph đã được sử dụng để theo dõi các phác thảo trên mô hình đất sét[41][42][43])
Trong ảnh trùng hợp, một thùng của polymer lỏng tiếp xúc với ánh sáng kiểm soát theo safelight điều kiện. Các polymer lỏng tiếp xúc cứng lại. Việc xây dựng các tấm sau đó di chuyển xuống trong từng bước nhỏ và các polymer lỏng là một lần nữa tiếp xúc với ánh sáng. Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi các mô hình đã được xây dựng. Các polymer lỏng sau đó được lấy từ những vat, để lại các mô hình rắn. Các EnvisionTEC Perfactory[44] là một ví dụ về một hệ thống tạo mẫu nhanh DLP.
Hệ thống máy in phun như Objet PolyJet liệu hệ thống phun photopolymer lên một khay xây dựng trong lớp cực mỏng (từ 16 đến 30 mm) cho đến khi phần được hoàn thành. Mỗi lớp photopolymer được chữa khỏi với ánh sáng UV sau khi được phun nước, sản xuất mô hình chữa khỏi hoàn toàn mà có thể bị xử lý và sử dụng ngay lập tức, mà không có hậu đóng rắn. Các tài liệu hỗ trợ giống gel, được thiết kế để hỗ trợ hình học phức tạp, được lấy ra bằng tay và phun nước. Nó cũng thích hợp cho các chất đàn hồi.
Tính năng siêu nhỏ có thể được thực hiện với kỹ thuật 3D vi chế tạo sử dụng trong nhân quang photopolymerisation. Phương pháp này sử dụng tia laser tập trung để theo dõi các đối tượng 3D mong muốn thành một khối gel. Do tính chất phi tuyến của các kích thích ảnh, gel được chữa khỏi với một chất rắn chỉ ở những nơi mà các laser được tập trung trong khi gel còn lại sau đó được rửa sạch. Kích thước tính năng dưới 100 nm có thể dễ dàng sản xuất, cũng như cấu trúc phức tạp bằng cách di chuyển và các bộ phận đan cài.[45]
Tuy nhiên, cách tiếp cận khác sử dụng một loại nhựa tổng hợp được kiên cố hóa bằng cách sử dụng đèn LED.[46]
Trong Mask-image-chiếu dựa trên một mô hình kỹ thuật số stereolithography 3D được lát bởi một tập hợp các máy bay ngang. Mỗi slice đã được chuyển đổi thành một hình ảnh mặt nạ hai chiều. Các mặt nạ ảnh sau đó được chiếu lên một bề mặt nhựa lỏng photocurable và ánh sáng được chiếu lên nhựa để chữa nó trong hình dạng của các lớp.[47] Kỹ thuật này đã được sử dụng để tạo các đối tượng bao gồm nhiều vật liệu chữa bệnh ở mức độ khác nhau. Trong các hệ thống nghiên cứu, ánh sáng được chiếu từ bên dưới, cho phép các loại nhựa để được nhanh chóng lan rộng thành những lớp mỏng thống nhất, giảm thời gian sản xuất từ vài giờ đến vài phút.[47][47] Thương mại có sẵn các thiết bị như Objet Connex áp dụng nhựa thông qua vòi phun nhỏ..[47]
In 3D sinh học là quá trình tạo ra cấu trúc 3D và hình học sử dụng các tế bào và một vật liệu đóng gói. Các ứng dụng y tế của In 3D sinh học rất nhiều, và do đó là chủ đề của nghiên cứu chuyên sâu tại các tổ chức học thuật như Đại học Cornell và các công ty như Organovo. Một lĩnh vực ứng dụng chính của in sinh học là trong lĩnh vực kỹ thuật mô của y học tái tạo. Ngoài những phức tạp liên quan đến in 3D nói chung, phải xem xét thêm về vật liệu, loại tế bào và lựa chọn yếu tố tăng trưởng. Do những cân nhắc thêm này, nghiên cứu in sinh học thực sự là một nỗ lực liên ngành, liên quan đến các nhà nghiên cứu từ các lĩnh vực khoa học vật liệu, sinh học tế bào, kỹ thuật các loại và y học.
In sinh học 3D đã chứng kiến nhiều thành công ban đầu về mặt tạo ra một số loại mô khác nhau. Ví dụ như da, xương, sụn, khí quản và mô tim. Mặc dù thành công ban đầu đã đạt được trong các cấu trúc mô không chức năng này, nhưng nỗ lực nghiên cứu quan trọng hướng đến việc tạo ra các cơ quan và mô thay thế đầy đủ chức năng, như van tim động mạch chủ.
Các nhà nghiên cứu trong Phòng thí nghiệm Jonathan Butcher thuộc Đại học Kỹ thuật Cornell đã phát triển các phương pháp để sinh thiết van tim động mạch chủ sống. Poly (ethylene glycol) -diacrylate (PEGDA) được sử dụng làm polymer cơ bản, vì tính tương thích sinh học và tính chất cơ học dễ điều chỉnh của nó. Hai giải pháp khác nhau của PEGDA đã được tạo ra với độ cứng cơ học khác nhau khi liên kết ngang, với polymer cứng hơn được sử dụng làm thành rễ động mạch chủ và polymer tuân thủ được sử dụng làm tờ rơi van. Sử dụng các giải pháp này, một van thể hiện tính không đồng nhất cơ học và khả năng tương thích tế bào học đã được in ra, nó sẽ là cơ sở cho sự phát triển trong tương lai của quá trình in van động mạch chủ.
Phòng thí nghiệm Lawrence Bonassar tại Đại học Cornell đã nghiên cứu về hình học sụn nhân tạo 3D. Một trọng tâm của nghiên cứu của họ liên quan đến việc thay thế các đĩa xen kẽ bằng các cấu trúc Tissue Engineered-Total Disk thay thế. Các đĩa xen kẽ mô được thiết kế sinh học với các cấu trúc hydrogel có hạt và được cấy vào chuột đực.
Về mặt thương mại, Printerinks, một công ty của Anh và Organovo, một công ty của Hoa Kỳ, đã làm việc cùng nhau để phát triển mô người thông qua in 3D. Hộp mực máy in được điều chỉnh để sử dụng tế bào gốc thu được từ sinh thiết và được nuôi cấy trong môi trường nuôi cấy. Chất kết quả được gọi là Bioink.
Kỹ thuật in 3D có thể được sử dụng để xây dựng các đối tượng có kích thước nano có kích thước. Đối tượng in này thường được trồng trên một bề mặt rắn, ví dụ như wafer silicon, mà họ tuân thủ sau khi in, vì chúng quá nhỏ và yếu ớt không được thao tác sau thi công. Trong khi cấu trúc nano 2D thường được tạo bằng cách đặt các tài liệu thông qua một số loại mặt nạ stencil tĩnh, các cấu trúc nano 3D có thể được in bằng chất di chuyển một mặt nạ stencil trong quá trình lắng đọng vật liệu. Lập trình cấu trúc nano-chiều cao với chiều rộng nhỏ tới 10 nm đã được sản xuất bằng kim loại lắng đọng hơi vật lý thông qua một thiết bị truyền động điều khiển Piezo-stencil mặt nạ có một nanopore trà trộn vào một màng silicon nitride. Kỹ thuật kim loại hơi này cũng là thuận lợi bởi vì nó có thể được sử dụng trên các bề mặt là quá nhạy cảm với nhiệt hoặc hóa chất cho in thạch bản truyền thống được sử dụng trên.[48]
Thực đơn
In 3DLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: In 3D