Máy in 3D được in 3D: Quy trình thiết kế-đến-In, Tài liệu & Hậu kỳ-Xử lý
Cuộc cách mạng về sản xuất bồi đắp đã thay đổi cách chúng ta khái niệm hóa, thiết kế và sản xuất các vật thể vật lý. 3Công nghệ in D, từng chỉ giới hạn ở các cơ sở tạo mẫu công nghiệp, nay đã trở nên dễ tiếp cận đối với những người có sở thích, nhà giáo dục, doanh nhân và chuyên gia trên nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiểu rõ quy trình làm việc hoàn chỉnh-từ ý tưởng thiết kế ban đầu cho đến lựa chọn vật liệu đến-kỹ thuật xử lý hậu kỳ-là điều cần thiết đối với bất kỳ ai muốn khai thác toàn bộ tiềm năng của công nghệ biến đổi này.
Quy trình thiết kế-đến-In
Hành trình từ khái niệm kỹ thuật số đến đối tượng vật lý tuân theo một quy trình làm việc có hệ thống đòi hỏi sự chú ý cẩn thận ở từng giai đoạn. Thành công trong in 3D không chỉ phụ thuộc vào chất lượng máy in mà còn phụ thuộc vào việc bạn chuẩn bị và quản lý các tệp thiết kế của mình tốt như thế nào.
Lên ý tưởng và thiết kế CAD
Mọi vật thể in 3D đều bắt đầu như một mô hình kỹ thuật số. Phần mềm-Máy tính hỗ trợ thiết kế (CAD) đóng vai trò là công cụ chính để tạo các mô hình này. Các tùy chọn phổ biến bao gồm Fusion 360, SolidWorks, Tinkercad cho người mới bắt đầu và Blender cho mô hình hóa tự nhiên. Việc lựa chọn phần mềm tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể của bạn.-các bộ phận cơ khí yêu cầu công cụ CAD tham số, trong khi các tác phẩm điêu khắc nghệ thuật lại được hưởng lợi từ các ứng dụng tập trung vào-điêu khắc.
Khi thiết kế để in 3D, một số nguyên tắc nhất định phải hướng dẫn công việc của bạn. Độ dày của tường đóng vai trò quan trọng; quá mỏng và bản in của bạn có thể bị hỏng hoặc tạo ra kết quả dễ vỡ, quá dày sẽ lãng phí vật liệu và thời gian. Hầu hết các máy in FDM yêu cầu độ dày thành tối thiểu là 1-2 mm để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc. Phần nhô ra đưa ra một thách thức khác-góc vượt quá 45 độ thường yêu cầu cấu trúc hỗ trợ, điều này làm tăng thêm độ phức tạp và công việc xử lý hậu kỳ.
Các cân nhắc về thiết kế cũng bao gồm việc tính đến tính chất-từng{1}}lớp của sản xuất bồi đắp. Không giống như các phương pháp trừ truyền thống, in 3D xây dựng các đối tượng từ dưới lên trên, nghĩa là hướng của mô hình của bạn trong quá trình in sẽ ảnh hưởng đến độ bền, chất lượng bề mặt và tính khả thi. Các bộ phận được ứng suất dọc theo các đường lớp yếu hơn các bộ phận được ứng suất vuông góc với các lớp, khiến cho việc định hướng trở thành một quyết định quan trọng về cấu trúc.
Chuẩn bị và cắt tập tin
Khi mô hình CAD của bạn hoàn tất, nó phải được xuất dưới dạng tệp STL (Ngôn ngữ tam giác tiêu chuẩn) hoặc OBJ. Các định dạng này biểu thị hình học 3D của bạn dưới dạng lưới các hình tam giác mà phần mềm cắt lát có thể diễn giải. Trước khi cắt, hãy kiểm tra tệp của bạn để tìm các lỗi-không-cạnh đa tạp, pháp tuyến đảo ngược và các lỗ trên lưới sẽ gây ra lỗi in.
Phần mềm cắt lát đóng vai trò là cầu nối giữa mô hình 3D và máy in của bạn. Các chương trình như Cura, PrusaSlicer và Simplify3D chuyển mô hình rắn của bạn thành một loạt đường chạy dao-hướng dẫn cụ thể cho máy in biết nơi đặt vật liệu, tốc độ di chuyển và nhiệt độ vận hành. Tệp mã G-này chứa hàng nghìn lệnh riêng lẻ được thực thi tuần tự trong quá trình in.
Giai đoạn cắt lát cung cấp khả năng tùy chỉnh rộng rãi. Chiều cao của lớp xác định độ phân giải-các lớp nhỏ hơn (0,1-0,2 mm) tạo ra bề mặt mịn hơn nhưng tăng thời gian in theo cấp số nhân, trong khi các lớp lớn hơn (0,3 mm+) in nhanh hơn với các bước rõ ràng hơn. Mô hình và mật độ lấp đầy ảnh hưởng đến cường độ và cách sử dụng vật liệu; 20% gyroid lấp đầy mang lại tỷ lệ sức bền-trên trọng lượng tuyệt vời cho hầu hết các ứng dụng. Tốc độ in, nhiệt độ, cài đặt rút lại và các thông số làm mát đều yêu cầu điều chỉnh dựa trên yêu cầu về vật liệu và kiểu máy cụ thể của bạn.
Các cấu trúc hỗ trợ xứng đáng được chú ý đặc biệt trong quá trình cắt. Những giàn giáo tạm thời này giữ các phần nhô ra trong quá trình in nhưng sau đó phải được gỡ bỏ. Vị trí hỗ trợ chiến lược giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu và nỗ lực-xử lý sau. Hỗ trợ dạng cây, một cải tiến mới hơn, sử dụng cấu trúc phân nhánh chạm vào mô hình ở ít điểm hơn, để lại bề mặt sạch hơn và sử dụng ít vật liệu hơn so với các hỗ trợ tuyến tính truyền thống.
Chuẩn bị và thực hiện in
Trước khi bắt đầu bất kỳ bản in nào, việc chuẩn bị máy in thích hợp là điều cần thiết. Cân bằng giường đảm bảo đầu phun duy trì khoảng cách nhất quán với bề mặt in trên toàn bộ khu vực in. Ngay cả những vấn đề cân bằng nhỏ cũng có thể gây ra vấn đề về độ bám dính, cong vênh hoặc lỗi in hoàn toàn. Các máy in hiện đại thường bao gồm tính năng tự động cân bằng bàn in, nhưng việc xác minh thủ công vẫn là phương pháp hay.
Kỹ thuật bám dính giường khác nhau tùy theo vật liệu. PLA thường bám dính tốt trên băng keo, kính hoặc tấm PEI của họa sĩ. ABS yêu cầu nhiệt độ lớp cao hơn và được hưởng lợi từ các bề mặt như băng Kapton hoặc bùn ABS. PETG bám dính mạnh vào hầu hết các bề mặt-đôi khi quá tốt-cần có chất giải phóng như keo dính để tránh làm hỏng các tấm bản dựng trong quá trình tháo ra.
Các yếu tố môi trường tác động đáng kể đến thành công của việc in ấn. Vấn đề ổn định nhiệt độ; gió lùa làm nguội không đều dẫn đến cong vênh và tách lớp. ABS đặc biệt yêu cầu buồng in khép kín duy trì nhiệt độ môi trường xung quanh ở mức 40-50 độ. Độ ẩm ảnh hưởng đến chất lượng dây tóc - nhiều vật liệu có tính hút ẩm, hấp thụ độ ẩm từ không khí gây ra hiện tượng sủi bọt, tạo dây và độ bám dính lớp yếu trong quá trình in. Bảo quản sợi nhựa đúng cách trong hộp kín có chất hút ẩm giúp bảo quản chất lượng vật liệu.
Vật liệu in 3D
Lựa chọn vật liệu ảnh hưởng sâu sắc đến cả quá trình in ấn và các đặc tính của bộ phận cuối cùng. Mỗi họ vật liệu đều có những thuận lợi và thách thức riêng biệt.
Nhựa nhiệt dẻo
PLA (Axit Polylactic)thống trị công nghệ in 3D dành cho người tiêu dùng do tính dễ sử dụng và nguồn gốc thực vật-của nó. Nó in ở nhiệt độ tương đối thấp (190-220 độ ), tạo ra độ cong vênh tối thiểu và không cần đế làm nóng-mặc dù điều này sẽ giúp ích. Khả năng phân hủy sinh học của PLA hấp dẫn người dùng có ý thức về môi trường, nhưng chính đặc tính này khiến nó không phù hợp cho các ứng dụng ngoài trời hoặc môi trường nhiệt độ cao. Các bộ phận bắt đầu mềm đi khoảng 60 độ, hạn chế các ứng dụng chức năng. Tuy nhiên, khả năng tái tạo chi tiết tuyệt vời và màu sắc đa dạng của PLA khiến nó trở nên hoàn hảo cho các nguyên mẫu, vật dụng trang trí và mô hình giáo dục.
ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)cung cấp các tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt độ vượt trội so với PLA. Cùng loại nhựa được sử dụng trong gạch LEGO và linh kiện ô tô, ABS chịu được nhiệt độ lên tới 100 độ và có khả năng chống va đập tốt. Tuy nhiên, ABS yêu cầu in cẩn thận hơn-nhiệt độ cao (230-250 độ ), đế được làm nóng (80-110 độ ) và các buồng kín ngăn ngừa cong vênh do làm mát chênh lệch. ABS cũng phát ra khói styrene trong quá trình in, đòi hỏi phải có hệ thống thông gió tốt. Làm mịn bằng hơi Acetone có thể biến các bản in ABS thô thành các chi tiết bóng loáng, trông chuyên nghiệp.
PETG (Polyethylene Terephthalate Glycol)thu hẹp khoảng cách giữa sự dễ dàng của PLA và sức mạnh của ABS. Chất liệu-an toàn thực phẩm này (cùng loại nhựa dùng trong chai nước) in gần như dễ dàng như PLA đồng thời có khả năng chịu nhiệt độ, độ bền và khả năng kháng hóa chất tốt hơn. Tính linh hoạt nhẹ của PETG ngăn ngừa hiện tượng giòn, khiến nó trở nên tuyệt vời đối với các bộ phận chức năng. Các biến thể trong suốt của nó cho phép ứng dụng quang học. Hạn chế chính là các bộ phận bám dính nền kém-có thể liên kết mạnh đến mức làm hỏng bề mặt bản dựng và việc nối dây giữa các tính năng được in đòi hỏi phải điều chỉnh độ co rút cẩn thận.
TPU và TPE (Polyurethane nhiệt dẻo/chất đàn hồi)giới thiệu tính linh hoạt cho in 3D. Những vật liệu-giống cao su này dùng làm miếng đệm, vỏ điện thoại, bản lề linh hoạt và thiết bị đeo. Việc in các sợi dẻo đòi hỏi phải cân nhắc đặc biệt-máy ép đùn truyền động trực tiếp hoạt động tốt hơn so với thiết lập Bowden, tốc độ in chậm giúp ngăn ngừa hiện tượng vênh sợi và rút lại tối thiểu để tránh kẹt giấy. Xếp hạng độ cứng của bờ cho thấy tính linh hoạt; 85A cho cảm giác giống đế giày sneaker, trong khi 60A giống dây cao su.
Kỹ thuật và Vật liệu đặc biệt
Nylon (Polyamit)cung cấp sức mạnh đặc biệt, tính linh hoạt và khả năng chống mài mòn. Các ứng dụng chuyên nghiệp ưa chuộng nylon cho các bộ phận chức năng, bánh răng và các bộ phận cơ khí. Tuy nhiên, tính chất hút ẩm của nylon là-sợi sợi cực kỳ hấp thụ độ ẩm nhanh chóng, cần bảo quản trong hộp khô và thường sấy khô trước khi in. Nhiệt độ in cao (240-260 độ) và xu hướng cong vênh mạnh đòi hỏi phải có buồng kín và chiến lược bám dính lớp in cẩn thận.
Polycarbonate (PC)đại diện cho-hiệu suất cao của in 3D dành cho người tiêu dùng. Với khả năng chịu nhiệt độ lên tới 150 độ, độ bền va đập tuyệt vời và độ rõ quang học, PC phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Việc in ấn đòi hỏi nhiệt độ cao (270-310 độ ), các điểm nóng hoàn toàn bằng kim loại và môi trường được kiểm soát cẩn thận. Khả năng bám dính và cong vênh cực cao của đế máy tính khiến nó trở thành thách thức nhưng mang lại lợi ích cho người dùng có kinh nghiệm.
Sợi tổng hợptrộn các polyme cơ bản với các chất phụ gia-sợi carbon, gỗ, kim loại hoặc các hạt đá. Vật liệu tổng hợp sợi carbon cung cấp độ cứng và tỷ lệ độ bền-trên-trọng lượng đặc biệt cho các ứng dụng hàng không vũ trụ và ô tô, mặc dù sợi mài mòn bắt buộc phải có vòi phun bằng thép cứng. Các sợi sợi chứa đầy gỗ-tạo ra tính thẩm mỹ hữu cơ hoàn hảo cho các dự án nghệ thuật, với màu sắc thay đổi theo nhiệt độ in để mô phỏng thớ gỗ. Các sợi kim loại-làm đầy bằng kim loại làm tăng thêm trọng lượng và vẻ ngoài kim loại, mặc dù in 3D kim loại thực sự yêu cầu hệ thống giường bột-hoặc ép đùn kim loại chuyên dụng ngoài thiết bị tiêu dùng.
Đăng-Kỹ thuật xử lý
Phần nổi lên từ máy in của bạn hiếm khi đại diện cho thành phẩm. Quá trình xử lý hậu kỳ-chiến lược sẽ nâng tầm các bản in từ nguyên mẫu in 3D-rõ ràng thành các bản in chuyên nghiệp, tinh tế.
Hỗ trợ loại bỏ và dọn dẹp
Bước xử lý hậu kỳ đầu tiên{0}}bao gồm việc xóa các cấu trúc hỗ trợ và xóa mọi chuỗi hoặc đốm màu. Kìm mũi kim-, dao cắt ngang và dao theo sở thích đóng vai trò là những công cụ chính. Hãy cẩn thận tháo các giá đỡ để tránh làm hỏng các bộ phận thực tế.-Các giá đỡ sẽ tách rời hoàn toàn tại các điểm giao diện nếu cài đặt bộ cắt chính xác. Các chất nền cứng đầu có thể cần phải ngâm bản in trong nước (đối với chất nền PVA) hoặc dung môi gốc limonene{6}}.
Sau khi loại bỏ lớp hỗ trợ, các khiếm khuyết trên bề mặt vẫn còn-các dấu hiệu chứng kiến nơi các lớp hỗ trợ được đính kèm, xâu chuỗi giữa các đối tượng và các đường lớp đặc trưng xác định quá trình in FDM. Mức độ xử lý hậu kỳ tiếp theo-tùy thuộc vào yêu cầu về mặt thẩm mỹ và chức năng của bạn.
Chà nhám và làm mịn bề mặt
Chà nhám dần dần từ hạt thô đến hạt mịn hơn sẽ loại bỏ các đường phân lớp và tạo ra bề mặt nhẵn. Bắt đầu với giấy nhám 100{6}}200 grit để loại bỏ vật liệu đáng kể, dần dần đến giấy nhám 400, 800, 1000 và có thể là 2000+ grit dành cho bề mặt nhẵn mịn của kính. Chà nhám ướt với độ nhám cao hơn sẽ ngăn ngừa tắc nghẽn và mang lại kết quả vượt trội. Quá trình này tốn nhiều công sức nhưng lại biến đổi các bản in một cách đáng kể.
Làm mịn bằng hóa chất cung cấp các giải pháp thay thế nhanh hơn cho một số vật liệu nhất định. ABS phản ứng rất tốt với việc làm mịn bằng hơi axeton-các bộ phận lơ lửng phía trên axeton sôi trong buồng kín làm tan chảy lớp bên ngoài, tự-làm phẳng để có lớp sơn bóng hoàn thiện. Kỹ thuật này đòi hỏi sự kiểm soát cẩn thận; -phơi sáng quá mức sẽ làm tan chảy các chi tiết nhỏ trong khi-phơi sáng kém sẽ để lại một bề mặt không bằng phẳng. PLA có thể được làm mịn bằng các sản phẩm chuyên dụng như PolySmooth và hệ thống làm mịn bằng hơi của Polymaker, mặc dù kém hiệu quả hơn ABS.
Các phương pháp làm mịn thay thế bao gồm áp dụng các lớp sơn lót phụ-phun-trên các lớp sơn lót được thiết kế để lấp đầy các đường kẻ của lớp trước khi sơn. Một số lớp sơn mỏng, mỗi lớp được chà nhám mịn, tạo thành một bề mặt che khuất hoàn toàn nguồn gốc in. Lớp phủ nhựa epoxy mang lại lớp hoàn thiện chống thấm nước,-siêu mịn nhưng tăng thêm trọng lượng đáng kể.
Sơn và hoàn thiện
Việc chuẩn bị bề mặt đúng cách sẽ tạo ra sự khác biệt giữa các bản in sơn nghiệp dư và chuyên nghiệp-. Lớp sơn lót phục vụ hai mục đích-cải thiện độ bám dính của sơn và mang lại màu nền đồng nhất. Sơn lót dành cho ô tô hoạt động xuất sắc cho các bản in 3D, có sẵn ở dạng bình xịt hoặc công thức airbrush.
Sơn acrylic phù hợp với hầu hết các ứng dụng-gốc-nước, ít mùi-và có vô số màu sắc. Lớp phủ mỏng nhiều lớp mang lại kết quả tốt hơn so với các lớp phủ dày đơn lẻ, che khuất các chi tiết và chạy vào các kẽ hở. Chải khô làm nổi bật các chi tiết nổi bật, giặt khô sẽ tạo thêm chiều sâu cho các hốc, đồng thời làm nổi bật và tạo bóng thích hợp sẽ tạo ra sự thú vị về mặt thị giác.
Lớp phủ trong suốt bảo vệ lớp sơn hoàn thiện và điều chỉnh diện mạo cuối cùng. Mỗi loại sơn mờ, satin và bóng đều tạo nên tính thẩm mỹ khác nhau. Nhiều lớp sơn mỏng ngăn ngừa hiện tượng nhòe và đạt được độ che phủ đồng đều. Đối với các ứng dụng có độ bền cao hoặc ngoài trời-, lớp phủ trong suốt dành cho ô tô- mang lại độ bền vượt trội.
Kỹ thuật hoàn thiện nâng cao
Lớp hoàn thiện bằng kim loại nâng bản in lên một tầm cao mới. Dịch vụ mạ kim loại có thể mạ điện các bản in ABS bằng niken, đồng hoặc crom thực tế, tạo ra các bề mặt kim loại thực sự không thể phân biệt được với kim loại đúc. Các lựa chọn DIY bao gồm sơn phun kim loại và lớp phủ kim loại có thể đánh bóng đạt được kết quả thuyết phục khi thực hành.
Nhuộm các bộ phận PETG có màu bằng nylon hoặc{0}}tự nhiên bằng thuốc nhuộm vải sẽ tạo ra màu sắc rực rỡ thấm sâu vào vật liệu thay vì bám trên bề mặt. Kỹ thuật này tạo ra lớp hoàn thiện bền màu,{2}}chống mài mòn mà sơn không thể làm được.
Việc nối nhiều bộ phận đã in thành các bộ phận lớn hơn cần có chất kết dính thích hợp. Cyanoacrylate (siêu keo) liên kết hầu hết các loại nhựa một cách nhanh chóng, mặc dù các liên kết giòn có thể bị hỏng khi bị căng. Epoxy hai thành phần mang lại sự liên kết chắc chắn hơn, linh hoạt hơn. Hàn nhựa sử dụng mỏ hàn hoặc khí nóng làm tan chảy vật liệu gốc với nhau để tạo ra các mối nối liền mạch, chắc chắn giữa các bộ phận của cùng một vật liệu.
Phần kết luận
Việc thành thạo in 3D đòi hỏi phải hiểu toàn bộ quy trình làm việc từ khi lên ý tưởng cho đến khi hoàn thiện. Mỗi giai đoạn đều có cơ hội tối ưu hóa và sáng tạo. Lựa chọn thiết kế ảnh hưởng đến khả năng in và độ bền. Lựa chọn vật liệu xác định khả năng và hạn chế. Các thông số cắt lát cân bằng chất lượng, tốc độ và độ tin cậy. Quá trình-hậu kỳ biến các bản in thô thành các sản phẩm được đánh bóng.
Khi công nghệ tiến bộ, in 3D đồng thời trở nên hiệu quả hơn và dễ tiếp cận hơn. Máy in đa{2}}chất liệu, tốc độ in nhanh hơn, chất liệu bền hơn và phần mềm thông minh hơn liên tục mở rộng khả năng. Tuy nhiên, các nguyên tắc cơ bản vẫn không đổi là-thiết kế cẩn thận, lựa chọn vật liệu phù hợp, thông số in phù hợp và khả năng hoàn thiện có tay nghề cao sẽ tách biệt những kết quả đặc biệt khỏi những kết quả tầm thường.
Cho dù sản xuất các bộ phận cơ khí chức năng, tác phẩm điêu khắc nghệ thuật, mô hình giáo dục hay nguyên mẫu nhanh, thành công trong in 3D đều đến từ việc coi nó như một quy trình tổng thể. Mỗi quyết định gợn sóng qua các giai đoạn tiếp theo. Một phần được thiết kế tốt có thể in dễ dàng và yêu cầu xử lý hậu kỳ ở mức tối thiểu. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng sẽ đảm bảo thành phẩm hoạt động như mong muốn. Công việc hoàn thiện kiên nhẫn và lành nghề sẽ nâng bất kỳ bản in nào lên chất lượng chuyên nghiệp.
Việc dân chủ hóa sản xuất thông qua in 3D trao quyền cho các cá nhân tạo ra các vật thể vật lý mà trước đây cần có các cơ sở công nghiệp. Việc hiểu và nắm vững quy trình thiết kế-để-in, đặc tính vật liệu và kỹ thuật xử lý hậu kỳ-sẽ mở ra tiềm năng này, biến trí tưởng tượng kỹ thuật số thành hiện thực hữu hình.