การผลิตการพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติในการพิมพ์สามมิติเต็มรูปแบบในกระบวนการผลิตกระบวนการหลายอย่างใด ๆ สำหรับการสร้างวัตถุสามมิติโดยการวางข้ามส่วนสองมิติตามลำดับโดยกระบวนการหนึ่งจะอยู่ด้านบนของอีกกระบวนการหนึ่ง กระบวนการนี้คล้ายคลึงกับการหลอมรวมของหมึกหรือผงหมึกลงบนกระดาษในเครื่องพิมพ์ (ด้วยเหตุนี้คำว่าการพิมพ์) แต่จริงๆแล้วคือการทำให้แข็งตัวหรือการจับกันของของเหลวหรือผงในแต่ละจุดในส่วนตัดขวางแนวนอนที่ต้องการวัสดุที่เป็นของแข็ง ในกรณีของการพิมพ์ 3D การเลเยอร์ซ้ำหลายร้อยหรือหลายพันครั้งจนกว่าวัตถุทั้งหมดจะเสร็จสิ้นในมิติแนวตั้ง บ่อยครั้งที่การพิมพ์ 3 มิติถูกนำไปใช้ในการเปลี่ยนรูปร่างต้นแบบพลาสติกหรือโลหะอย่างรวดเร็วในระหว่างการออกแบบชิ้นส่วนใหม่แม้ว่ามันจะสามารถนำไปใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเพื่อขายให้กับลูกค้า วัตถุที่ทำในช่วงการพิมพ์ 3 มิติจากรูปแกะสลักพลาสติกและรูปแบบแม่พิมพ์ไปจนถึงชิ้นส่วนเครื่องจักรและการปลูกถ่ายไทเทเนียมผ่าตัด อุปกรณ์การพิมพ์สามมิติทั้งหมดสามารถติดตั้งในตู้ขนาดของเตาครัวขนาดใหญ่หรือตู้เย็น

การพิมพ์: การพิมพ์สามมิติ (1960s)

ในปี 1960 การพิมพ์สามมิติได้รับการพัฒนาเป็นหลักภาพประกอบที่มีสองมุมมองซ้อนทับของภาพเดียวกันกับที่ถ่าย

คำว่าการพิมพ์ 3 มิติเดิมกำหนดกระบวนการเฉพาะที่จดสิทธิบัตรเป็น 3DP โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ Massachusetts Institute of Technology (MIT) ในปี 1993 และได้รับใบอนุญาตให้กับผู้ผลิตหลายราย วันนี้คำนี้ใช้เป็นป้ายกำกับทั่วไปสำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้องจำนวนหนึ่ง ศูนย์กลางทั้งหมดของพวกเขาคือการออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์หรือ CAD เมื่อใช้โปรแกรม CAD วิศวกรจะพัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์สามมิติของวัตถุที่จะสร้างขึ้น รุ่นนี้ได้รับการแปลเป็นชุดของ“ เสี้ยวสองมิติ” ของวัตถุและจากนั้นก็เป็นคำแนะนำที่บอกเครื่องพิมพ์ว่าจะทำให้วัสดุเริ่มต้นแข็งตัวในแต่ละส่วนที่ต่อเนื่องกันอย่างไร

ในกระบวนการส่วนใหญ่วัสดุเริ่มต้นคือพลาสติกละเอียดหรือผงโลหะ โดยทั่วไปแล้วผงจะถูกเก็บไว้ในตลับหรือเตียงซึ่งจ่ายในปริมาณเล็กน้อยและแพร่กระจายโดยลูกกลิ้งหรือใบมีดในชั้นที่บางมาก (โดยทั่วไปจะมีเพียงความหนาของผงแป้งซึ่งอาจมีขนาดเล็กถึง 20 micrometres หรือ 0.0008 นิ้ว) เหนือเตียงซึ่งชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้น ในกระบวนการ 3DP ของ MIT เลเยอร์นี้จะถูกส่งผ่านโดยอุปกรณ์ที่คล้ายกับส่วนหัวของเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท อาร์เรย์ของหัวฉีดสเปรย์สารยึดเกาะในรูปแบบที่กำหนดโดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์จากนั้นชั้นผงใหม่จะถูกกระจายไปทั่วพื้นที่สะสมทั้งหมดและกระบวนการซ้ำแล้วซ้ำอีก ในแต่ละครั้งที่ทำซ้ำเตียงเสริมจะถูกลดลงโดยความหนาของชั้นผงใหม่อย่างแม่นยำ เมื่อกระบวนการเสร็จสมบูรณ์ชิ้นส่วนภายในที่ฝังอยู่ในผงแบบไม่ได้รวมจะถูกดึงออกมาทำความสะอาดและบางครั้งก็ทำตามขั้นตอนการตกแต่งหลังการทำบางขั้นตอน

กระบวนการ 3DP ดั้งเดิมนั้นส่วนใหญ่ทำจากการเยาะเย้ยจากพลาสติกเซรามิกและปูนปลาสเตอร์ แต่ต่อมาการเปลี่ยนแปลงก็ใช้ผงโลหะเช่นกันและผลิตชิ้นส่วนที่แม่นยำและทนทานมากขึ้น กระบวนการที่เกี่ยวข้องเรียกว่าการเลือกเลเซอร์เผา (SLS); ที่นี่หัวหัวฉีดและสารยึดเกาะของเหลวจะถูกแทนที่ด้วยเลเซอร์นำทางที่แม่นยำซึ่งให้ความร้อนผงเพื่อให้มันเผาหรือบางส่วนละลายและฟิวส์ในพื้นที่ที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว SLS จะทำงานร่วมกับผงพลาสติกหรือผงโลหะผสมประสาน ในกรณีหลังวัตถุที่ถูกสร้างขึ้นอาจจะต้องได้รับความร้อนในเตาหลอมเพื่อทำการหล่อแข็งเพิ่มเติมจากนั้นจึงทำการกลึงและขัดเงา ขั้นตอนหลังการประมวลผลเหล่านี้สามารถลดลงในการเผาผนึกโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรง (DMLS) ซึ่งเลเซอร์กำลังสูงหลอมรวมผงโลหะละเอียดเป็นส่วนที่แข็งและเสร็จสิ้นโดยไม่ต้องใช้วัสดุประสาน อีกรูปแบบหนึ่งคือการละลายลำแสงอิเล็กตรอน (EBM); ที่นี่อุปกรณ์เลเซอร์จะถูกแทนที่ด้วยปืนอิเล็กตรอนซึ่งมุ่งเน้นลำแสงที่มีประจุไฟฟ้าทรงพลังไปยังผงภายใต้สภาวะสุญญากาศ กระบวนการ DMLS และ EBM ที่ทันสมัยที่สุดสามารถสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของเหล็กกล้าขั้นสูงไทเทเนียมและโคบอลต์โครเมียมอัลลอยด์

กระบวนการอื่น ๆ อีกมากมายทำงานบนหลักการสร้างของ 3DP, SLS, DMLS และ EBM บางคนใช้การจัดเรียงหัวฉีดเพื่อกำหนดวัสดุเริ่มต้น (ไม่ว่าจะเป็นผงหรือของเหลว) ไปยังพื้นที่สะสมที่กำหนดไว้เท่านั้นเพื่อไม่ให้วัตถุจมอยู่ในเตียงของวัสดุ ในกระบวนการที่เรียกว่า stereolithography (SLA) เป็นชั้นบาง ๆ ของพอลิเมอร์เหลวแทนที่จะกระจายไปทั่วบริเวณพื้นที่สร้างผงและพื้นที่ส่วนที่กำหนดจะถูกรวมโดยลำแสงเลเซอร์รังสีอัลตราไวโอเลต ชิ้นส่วนพลาสติกในตัวถูกเรียกคืนและทำตามขั้นตอนหลังการประมวลผล

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติทั้งหมดเรียกว่าการผลิตสารเติมแต่งหรือกระบวนการผลิตแบบเติมแต่งกระบวนการที่สร้างขึ้นตามลำดับเมื่อเทียบกับการหล่อหรือขึ้นรูปพวกเขาในขั้นตอนเดียว (กระบวนการรวม) หรือตัดและตัดพวกเขาออกจากบล็อกที่เป็นของแข็ง (กระบวนการลบ) เช่นนี้พวกเขาได้รับการพิจารณาว่ามีข้อได้เปรียบหลายประการเกี่ยวกับการผลิตแบบดั้งเดิมหัวหน้าในหมู่พวกเขาไม่มีเครื่องมือราคาแพงที่ใช้ในกระบวนการหล่อและการกัด ความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนและปรับแต่งได้ตามประกาศสั้น ๆ และการสร้างของเสียน้อยลง ในทางกลับกันพวกเขายังมีข้อเสียหลายประการ เหล่านี้รวมถึงอัตราการผลิตที่ต่ำความแม่นยำและการขัดผิวน้อยกว่าชิ้นส่วนที่ผ่านการกัดวัสดุที่มีข้อ จำกัด ที่สามารถนำมาประมวลผลได้และข้อ จำกัด ที่รุนแรงเกี่ยวกับขนาดของชิ้นส่วนที่สามารถทำได้ในราคาไม่แพง ด้วยเหตุผลนี้ตลาดหลักของการพิมพ์ 3 มิติจึงเรียกว่าการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วนั่นคือการผลิตชิ้นส่วนที่รวดเร็วซึ่งในที่สุดจะผลิตเป็นจำนวนมากในกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตามเครื่องพิมพ์ 3 มิติเชิงพาณิชย์ยังคงปรับปรุงกระบวนการของพวกเขาและทำการเจาะตลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและนักวิจัยยังคงทดลองกับการพิมพ์ 3 มิติผลิตวัตถุที่แตกต่างกันเป็นตัวถังรถยนต์บล็อกคอนกรีตและผลิตภัณฑ์อาหารที่กินได้

คำว่าการพิมพ์ทางชีวภาพ 3D ใช้เพื่ออธิบายการประยุกต์ใช้แนวคิดการพิมพ์ 3 มิติเพื่อการผลิตของหน่วยงานทางชีวภาพเช่นเนื้อเยื่อและอวัยวะ การพิมพ์ทางชีวภาพนั้นใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ที่มีอยู่เป็นส่วนใหญ่เช่นอิงค์เจ็ทหรือการพิมพ์ด้วยเลเซอร์ แต่ใช้“ bioink” (สารแขวนลอยของเซลล์ที่มีชีวิตและสื่อการเจริญเติบโตของเซลล์) ซึ่งอาจเตรียมไว้ใน micropipettes หรือเครื่องมือที่คล้ายกัน. การพิมพ์จะถูกควบคุมผ่านคอมพิวเตอร์โดยมีเซลล์ที่ถูกวางในรูปแบบเฉพาะบนแผ่นวัฒนธรรมหรือพื้นผิวที่ผ่านการฆ่าเชื้อ การพิมพ์โดยใช้วาล์วซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมการสะสมของเซลล์และรักษาความเป็นไปได้ของเซลล์ได้ดีขึ้นได้ถูกใช้ในการพิมพ์เซลล์ต้นกำเนิดจากตัวอ่อนของมนุษย์ในรูปแบบ preprogrammed ที่อำนวยความสะดวกในการรวมเซลล์ โมเดลเนื้อเยื่อของมนุษย์ดังกล่าวที่สร้างขึ้นผ่านการพิมพ์ทางชีวภาพ 3 มิตินั้นมีการใช้โดยเฉพาะในด้านเวชศาสตร์ฟื้นฟู