3D-tryckningstillverkning

3D-utskrift, i full tredimensionell utskrift, vid tillverkning, vilken som helst av flera processer för att tillverka tredimensionella föremål genom att lägga tvådimensionella tvärsnitt i följd, en på toppen av en annan. Processen är analog med smältning av bläck eller toner på papper i en skrivare (därav termen tryckning) men är faktiskt stelnande eller bindning av en vätska eller pulver vid varje plats i det horisontella tvärsnittet där fast material önskas. När det gäller 3D-utskrift upprepas lagret hundratals eller tusentals gånger tills hela objektet har avslutats genom sin vertikala dimension. Ofta används 3D-tryckning för att snabbt avvisa prototyper av plast eller metall under utformningen av nya delar, även om de också kan användas för att göra slutprodukter till försäljning till kunder. Objekt gjorda i 3D-utskrift sträcker sig från plastfigurer och formmönster till stålmaskindelar och kirurgiska implantat i titan. En hel 3D-tryckapparat kan förslutas i ett skåp som är ungefär storleken på en stor kökspis eller kylskåp.

tryckning: tredimensionell tryckning (1960-talet)

På 1960-talet utvecklades ett tredimensionellt tryck, väsentligen en illustration med två överlagrade bilder över samma bild som tagits

Begreppet 3D-utskrift betecknade ursprungligen en specifik process som patenterades som 3DP av forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) 1993 och licensierade till flera tillverkare. Idag används termen som en generisk etikett för ett antal relaterade processer. Centralt för dem alla är datorstödd design, eller CAD. Med CAD-program utvecklar ingenjörer en tredimensionell datormodell av objektet som ska byggas upp. Den här modellen översätts till en serie av tvådimensionella "skivor" av objektet och sedan till instruktioner som berättar skrivaren exakt var man ska stelna utgångsmaterialet på varje på varandra följande skiva.

I de flesta processer är utgångsmaterialet ett fint plast- eller metallpulver. Typiskt lagras pulvret i patroner eller bäddar från vilka det dispenseras i små mängder och sprids av en rulle eller blad i ett extremt tunt lager (vanligtvis endast tjockleken på pulverkornen, som kan vara så liten som 20 mikrometer, eller 0,0008 tum) över sängen där delen byggs upp. I MITs 3DP-process överförs detta lager av en enhet som liknar huvudet på en bläckstråleskrivare. Ett antal munstycken sprutar ett bindemedel i ett mönster bestämt av datorprogrammet, sedan sprids ett nytt pulverlager över hela uppbyggnadsområdet och processen upprepas. Vid varje repetition sänks uppbyggnadsbädden med exakt tjockleken på det nya pulverskiktet. När processen är klar dras den uppbyggda delen, inbäddad i okonsoliderat pulver, ut, rengöras och ibland läggs igenom några efterbehandlingssteg.

Den ursprungliga 3DP-processen gjorde främst grova mock-ups av plast, keramik och till och med gips, men senare varianter använde även metallpulver och producerade mer exakta och mer hållbara delar. En relaterad process kallas selektiv lasersintring (SLS); här ersätts munstyckshuvudet och det flytande bindemedlet med exakt styrda lasrar som värmer pulvret så att det övervintrar, eller delvis smälter och säkras, i de önskade områdena. Vanligtvis arbetar SLS med antingen plastpulver eller ett kombinerat metallbindemedelspulver; i det senare fallet kan det uppbyggda föremålet behöva värmas upp i en ugn för ytterligare stelning och sedan bearbetas och poleras. Dessa efterbehandlingssteg kan minimeras i direkt metalllasersintring (DMLS), i vilken en högeffektiv laser smälter ett fint metallpulver till en mer solid och färdig del utan användning av bindemedel. Ytterligare en variation är elektronstrålsmältning (EBM); här ersätts laserapparaten med en elektronpistol som fokuserar en kraftfull elektriskt laddad stråle på pulvret under vakuumförhållanden. De mest avancerade DMLS- och EBM-processerna kan tillverka slutprodukter av avancerade stål-, titan- och koboltkromlegeringar.

Många andra processer arbetar med uppbyggnadsprincipen för 3DP, SLS, DMLS och EBM. Vissa använder munstycksarrangemang för att rikta utgångsmaterialet (antingen pulver eller vätska) endast till de angivna uppbyggnadsområdena, så att föremålet inte är nedsänkt i en bädd av materialet. Å andra sidan, i en process känd som stereolitografi (SLA), sprids ett tunt lager av polymervätska snarare än pulver över byggområdet, och de angivna delområdena konsolideras med en ultraviolett laserstråle. Den uppbyggda plastdelen hämtas och sätts genom efterbehandlingssteg.

Alla 3D-tryckprocesser är så kallade additiv tillverkning, eller additiv tillverkning, processer - sådana som bygger upp objekt i tur och ordning, till skillnad från gjutning eller gjutning av dem i ett enda steg (en konsolideringsprocess) eller skärning och bearbetning av ett fast block (en subtraktiv process). Som sådant anses de ha flera fördelar jämfört med traditionell tillverkning, varav främst en frånvaro av det dyra verktyg som används i gjuteri och fräsningsprocesser; förmågan att producera komplicerade, anpassade delar på kort varsel; och generering av mindre avfall. Å andra sidan har de också flera nackdelar; dessa inkluderar låga produktionshastigheter, mindre precision och ytpolering än bearbetade delar, ett relativt begränsat sortiment av material som kan bearbetas och allvarliga begränsningar för storleken på delar som kan göras billigt och utan distorsion. Av denna anledning är den huvudsakliga marknaden för 3D-utskrift i så kallad snabb prototypning - det vill säga snabb produktion av delar som så småningom kommer att massproduceras i traditionella tillverkningsprocesser. Ändå fortsätter kommersiella 3D-skrivare att förbättra sina processer och göra intrång i marknader för slutprodukter, och forskare fortsätter att experimentera med 3D-tryckning, och producerar föremål lika olika som bilkroppar, betongblock och ätliga livsmedelsprodukter.

Termen 3D-biotryck används för att beskriva tillämpningen av 3D-tryckkoncept för produktion av biologiska enheter, såsom vävnader och organ. Bioprinting baseras till stor del på befintlig tryckteknik, som bläckstråle- eller lasertryck, men använder "bioink" (suspensioner av levande celler och celltillväxtmedium), som kan beredas i mikropipetter eller liknande verktyg som fungerar som skrivarkassetter. Trycket styrs sedan via datorn, där celler placeras i specifika mönster på odlingsplattor eller liknande sterila ytor. Ventilbaserad utskrift, som möjliggör fin kontroll över cellavsättning och förbättrad bevarande av cellviabilitet, har använts för att skriva ut humana embryonala stamceller i förprogrammerade mönster som underlättar cellernas aggregering till sfäroidstrukturer. Sådana mänskliga vävnadsmodeller genererade genom 3D-bioprinting är särskilt användbara inom området för regenerativ medicin.