A technológia története
Sorozatunk legújabb részéből kiderül, hogyan hozott egy játékbéka világhírnevet megalkotójának és milyen hatást gyakorolt az egyik legnagyobb német autógyár a térbeli nyomtatás fejlődésére.
A 3D nyomtatás napjainkban már – akár tudunk róla, akár nem – életünk szerves részét képezi. A technológia az Ipar 4.0 dinamikusan fejlődő iparága, ráadásul a felsőoktatásban, így a Nemzeti Közszolgálati Egyetem több kutatási projektjében is egyre nagyobb szerepet kap. Sorozatunk előző részében az olvasók két 3D gyártási technológiát ismerhettek meg, a sztereolitográfiát és a szelektív lézeres szinterezést. Ezúttal négy további eljárást mutatunk be.
Játékbékától a világhírnévig
1988-ban Steven Scott Crump a kétéves kislányának akart örömet szerezni egy játékbéka elkészítésével. A konyhájukban műanyag zselékkel kezdett kísérletezni, a béka pedig végül polietilén és gyertyaviasz keverékéből készült el. Crump ragasztópisztolyt használt, és rétegről rétegre haladt. Ez a játék adta az ötletet a gyártási folyamat automatizálásának megoldásához. Crumptól felesége, Lisa azt kérte, hogy a további kísérleteket már a garázsban végezze. Így a feltaláló munka után, esténként, a garázsában dolgozott a korai 3D nyomtatóján, valamint a gyártáshoz megfelelő alapanyagon.
1989-ben Lisa válaszút elé állította férjét: vagy hagyjon fel a kísérletezéssel, vagy fejlessze tovább elképzelését. Szerencsére Crump az utóbbit választotta. Az irodai (2D-s) nyomtatóhoz ragasztópisztoly hozzáadásával és a „Z” tengely alkalmazásával létrehozta a 3D nyomtatót, továbbá kifejlesztette a hozzá szükséges műanyag szálat (filamentet) is, a Polylactic acid-ot (a PLA-t, vagyis a politejsavat), ami hőre lágyuló műanyag.
Szintén 1989-ben Crump feleségével megalapította a Stratasys nevű céget, és szabadalmaztatta az általa kidolgozott Fused Deposition Modeling (FDM) eljárást. Erre 2005-ig kapott védettséget. A technológia lényege: műanyag szálat olvasztanak meg, amelyet vékony rétegekben raknak le a tárgyasztalra. A modell építése alulról felfelé haladva, rétegről rétegre valósul meg. Crump szabadalma tartalmazza a folyamat automatizálását, a béka elkészítését és hétféle prototípus gép leírását. 2005-re a Stratasys a gyors prototípusgyártás (rapid prototyping) iparágának világszerte elismert vezetője lett.
Német nyomtatók és a kötőanyagsugárzó technológia
1989-ben Európa is bekapcsolódott a térbeli nyomtatásba. Németországban, Gräfelfingben Dr. Hans J. Langer és Dr. Hans Steinbichler megalapította az EOS (Electro Optical System) GmbH-t. Céljuk olyan, a sztereolitográfia elvén működő nyomtató létrehozása volt, amely megfelelt a BMW autógyár igényeinek. 1991-re el is készült az első berendezésük, a STEREOS 400-as nyomtató. A BMW maximálisan elégedett volt az eredménnyel.
Ebben az évben azonban Steinbichler elhagyta a céget, pedig az már nyereségesen működött. Langer családi vállalkozásban folytatta az additív gyártást, majd világszerte piacvezetővé vált a fém- és a polimernyomtatásban. Az EOS-nál 1989-ben kidolgozták a közvetlen fémlézeres szinterezést (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Két különböző fémkomponensből álló porkeverék (nikkel és bronz) lézeres megolvasztásával ötvözetet hoztak létre, amely ugyanakkora mértékben tágult, mint amennyire zsugorodott. Az eljárás nem használt segéd- és kötőanyagokat. A DMLS technológia pedig ma már szabvány a fémnyomtatásban.
1995-ben sorozatgyártásban készültek a poliamid por szinterezésére szolgáló 3D-s EOS-nyomtatók. Alapanyagként hőre keményedő műanyaggal bevont kvarc és kerámia homokot használtak. A nyomtatás során a bevonatot a lézer megolvasztja, így az a cementhez hasonló módon megköti a homokszemcséket. Kikeményedés után az alkatrész már nem deformálódik, még akkor sem, ha ismét hőhatás éri. 2002-ben az EOS, a Trumpf céggel együttműködve, kifejlesztett egy eljárást a szelektív lézerolvasztásra is (Selective Laser Melting, SLM).
Ugyancsak 1989-ben az Emanuel M. Sachs vezette kutatócsoport John S. Haggerty, Michael J. Cima és Paul A. Williams (Massachusetts Institute of Technology – MIT) részvételével kidolgozta a 3D-s kötőanyagsugárzó technológiát (Binder Jet Printing-et, binder jetting-nek is nevezik, BJ). A technológia lényege: a nyomtató egyenletesen fémport (alapanyagot) terít a tálcára. Erre a rétegre aztán olvasztás helyett polimert (kötőanyagot) fecskendeznek a fúvókákból, a modell keresztmetszetének megfelelő területre. A polimer fogja össze a fémport. A művelet pedig rétegről rétegre ismétlődik, amíg ki nem alakul a munkadarab.
Ez az eljárás lehetővé tette, hogy a mérnökök modellek, minták helyett működő alkatrészeket hozzanak létre prototípuskészítéshez és annak teszteléséhez, valamint késztermékekhez.
Sachs ezen a területen végzett munkája egy teljesen új iparág, a tömeggyártásos fémnyomtatás elindítását segítette elő. Tevékenységéért 2019-ben iparági díjat (SME Industry Achievement Award-ot) kapott Detroitban.
A következő részben a 3D gyártástechnológia különceit mutatjuk be.
