Flera 3D-utskriftsprocesser har uppfunnits sedan slutet av 1970-talet. Skrivarna var ursprungligen stora, dyra och mycket begränsade i vad de kunde producera.

Det finns nu ett stort antal additiva processer. De största skillnaderna mellan processerna ligger i hur lagren deponeras för att skapa delar och i de material som används. Vissa metoder smälter eller mjukar upp materialet för att producera skikten, t.ex. selektiv lasersmältning (SLM) eller direkt metalllasersintring (DMLS), selektiv lasersintring (SLS), fused deposition modeling (FDM) eller fused filament fabrication (FFF), medan andra härdar flytande material med hjälp av olika sofistikerade tekniker, t.ex. stereolitografi (SLA). Vid tillverkning av laminerade objekt (LOM) skärs tunna skikt till och fogas samman (t.ex. papper, polymer, metall). Partikeldeponering med hjälp av bläckstråleteknik skriver ut lager av material i form av enskilda droppar. Varje droppe av fast bläck från smältbart material skriver faktiskt ut en partikel eller ett objekt. Färgfärgbläck från hotmelt-material skriver ut enskilda CMYK-droppar ovanpå varandra för att producera ett enfärgat objekt med 1-3 lager som smälts samman. Komplexa 3D-modeller skrivs ut med många överlappande droppar som smälts samman till lager enligt definitionen i CAD-filen. Med bläckstråleteknik kan 3D-modellerna vara fasta eller öppna cellstrukturer enligt 3D-skrivarens bläckstrålekonfiguration. Varje metod har sina egna för- och nackdelar, vilket är anledningen till att vissa företag erbjuder ett val av pulver och polymer för det material som används för att bygga objektet. Andra använder ibland standard, standardiserat affärspapper som byggmaterial för att framställa en hållbar prototyp. De viktigaste övervägandena vid val av maskin är i allmänhet hastighet, kostnader för 3D-skrivaren, för den utskrivna prototypen, val och kostnad för materialen samt färgmöjligheter.

Skrivare som arbetar direkt med metaller är i allmänhet dyra. Mindre dyra skrivare kan dock användas för att göra en form, som sedan används för att tillverka metalldelar.

Typ	Tekniker	Material
Inkjetteknologi	Drop-on-demand eller kontinuerlig (med ett eller flera munstycken) partikeldeponering	Hotmeltmaterial (vax, termoplast, metallegering)
Material extrudering	Fused deposition modeling (FDM) eller Fused filament fabrication (FFF) och fused pellet fabrication eller fused particle fabrication	Termoplaster, eutektiska metaller, ätbara material, gummi, modelleringslera, plastin
	Robogjutning eller MIG-svetsning 3D-utskrift eller direkt bläckskrivning (DIW) eller extruderingsbaserad additiv tillverkning av metaller (EAM) och keramik (EAC)	Blandningar av metall och bindemedel (inklusive metalllera och ädelmetalllera), keramiska bindemedelsblandningar (inklusive keramisk lera och keramiska slurries), cermet, komposit med metallmatris, komposit med keramisk matris, metall (MIG-svetsning)
	Förtillverkning av kompositfilament (CFF)	Nylon eller nylon med korta kolfibrer + förstärkning i form av kol, kevlar, Glas och glas för högtemperaturfiber
Ljuspolymeriserat	Stereolitografi (SLA)	Fotopolymer (inklusive prekeramiska polymerer)
	Digital ljusbehandling (DLP)	Fotopolymer
	Continuous Liquid Interface Production (CLIP)	Photopolymer + termiskt aktiverad kemi
Pulverbädd	Pulverbädd och bläckstrålehuvud för 3D-utskrift (3DP)	Nästan alla metalllegeringar, Pulverformade polymerer, gips
	Elektronstrålesmältning (EBM)	Nästan alla metallegeringar, inklusive titanlegeringar
	Selektiv lasersmältning (SLM)	Titanlegeringar, koboltkromlegeringar, rostfritt stål, Aluminium
	Selektiv värmesintring (SHS)	Thermoplastpulver
	Selektiv lasersintring (SLS)	Termoplaster, metallpulver, keramiska pulver
	Direkt metall lasersintring (DMLS)	Nästan alla metallegeringar
Laminat	Tillverkning av laminerade objekt (LOM)	Papper, metallfolie, plastfilm
Pulvermatad	Directed Energy Deposition	Nästan alla metallegeringar
Tråd	Framställning med friformstillverkning med elektronstråle (EBF3)	Nästan alla metallegeringar

BläckstråleteknikRedigera

Ett munstycke med flytande material kan dras över en absorberande yta för att suga ut material, elektrostatiskt dras från en större jetöppning, trycksättas för att strömma material eller så kan vätsketrycket ökas för att utstöta korta vätskeströmmar i form av spray eller enskilda droppar. En reservoarpenna med spets är ett exempel på ett material med veke. En slang är ett exempel på strömmande vätska. En pump med kort utstötning är ett exempel på utstötning av droppar eller spray.

Munstycken kan vara tillverkade av vilket material som helst och kan vara enkelmunstycken med en vätskekammare eller flermunstycken med en eller flera vätskekamrar. Dagens bläckstråleskrivare kan vara vilken variation som helst av dessa bläckstrålestilar.

Bläckmaterial för bläckstråleskrivare behöver bara ha en tillräckligt låg viskositet för att vätskan ska kunna passera genom munstyckesöppningen. Materialen kan smältas för att bli flytande. Dessa kallas hotmelt-bläck. I alla fall måste bläckstråleskrivare vara tredimensionella på den tryckta ytan för att producera en Z-höjdkomponent för ett 3D-objekt.

Inkjet var banbrytande för Teletype som introducerade den elektrostatiskt dragande teleprintern Inktronic 1966. Skrivaren hade 40 jetstrålar som erbjöd en banbrytande hastighet på 120 tecken per sekund.

Kontinuerliga bläckstrålar var populära under 1950-1960-talet innan bläckstrålar med dropp-efterfrågan uppfanns 1972. Kontinuerliga tredimensionella bläck var vaxbaserade och metalllegeringar med låg temperatur. Utskrift med dessa hotmelt-bläck gav alfanumeriska tecken som var fasta och 3D-liknande, men ingen kände igen dem som 3D-utskrift. År 1971 patenterade en ung ingenjör, Johannes Gottwald, en skrivare i flytande metall som skrev ut stora tecken i metall för skyltning, men Teletype Corp ignorerade upptäckten. Punktskrift skrevs ut med vaxbläck men kommersialiserades aldrig på 1960-talet.

Drop-On-Demand (DOD) bläckstråleskrivare uppfanns 1972 och använde piezoelektrisk ”klämteknik” för att pumpa ut en droppe per klämtryck. Endast vattenbaserat bläck användes i dessa tidiga DOD-jets. Man experimenterade med många olika former, diametrar och flera munstyckehål per bläckstrålerör. Bläckstrålar med ett enda munstycke kallades ”Alpha Jets” på Exxon Office Systems där många av de tidiga uppfinnare som anställdes för att förbättra utskriften forskade om utskrift. Alpha-strålen förkastades på grund av att den var för komplicerad. Utskriftshuvuden med flera jetstrålar konstruerades och införlivades av denna grupp.

Ett litet företag i New Hampshire, R.H. Research, som ägdes av Robert Howard, forskade om utskrift 1982-1983 och beslöt att bläckstråle med ett enda munstycke var en möjlig lösning och han kontaktade sedan en uppfinnare på Exxon som nämnde Al Hock som ett bra val för detta projekt. Al Hock bjöd in Tom Peer och Dave Lutz att följa med honom till New Hampshire för att undersöka denna nya satsning och de accepterade jobberbjudandet. Dave Lutz kontaktade två jetfolk som fortfarande arbetar på Exxon, Jim och Kathy McMahon, och de accepterade också erbjudandet om att bli grundare av detta företag som senare skulle få namnet Howtek, Inc. Inom några månader fungerade de Alpha-jetflygplan som tillverkades av det nya Howtek-teamet utmärkt. Howteks ledning valde att byta ut glasmunstyckena till Tefzel på grundval av testresultaten för bläckstråleskrivare. Tefzel gjorde det möjligt för bläckstrålet att arbeta vid hög temperatur med de nya termoplastiska hotmelt-bläckämnena och att köras utan vibrationer i munstyckets struktur som kan generera ströddroppar. Varje tryckning gav upphov till en droppe i ett frekvensområde på 1-16 000 droppar per sekund. Munstyckena kunde tillverkas och Pixelmaster var född. Det fanns 32 bläckstrålemunstycken per skrivhuvud som tryckte ut 4 färger (8 strålar per färg) CMYK. Mekanismen var ett skrivarhuvud som roterade med 121 varv per minut och placerade droppar av enhetlig storlek och form exakt på plats som subtraktiv färgtext- och bildutskrift för den grafiska industrin. Denna teknik med hotmelt-bläck för utskrift av CMYK-skikt var en föregångare till ett 3D-patent av Richard Helinski. Några år senare (1993) licensierades patentet först av Sanders Prototype, Inc. (omdöpt till Solidscape, Inc.), en tillverkare av branschens första skrivare för snabba prototyper, Modelmaker 6 Pro. Denna skrivare och nyare produkter använder dessa bläckstrålar i Howtek-stil och termoplastiska bläck. Modeller som skrevs ut med termoplasten var perfekta för investeringsgjutning utan aska vid utbränning. Utskrift med termoplastiska bläckdroppar är noggrann och exakt och ger modeller med högkvalitativ ytfinish som är populära bland juvelerare och CAD-designers som är känsliga för detaljer. De Howtek-bläckstråleskrivare som är utformade för att skriva ut en sida på fyra minuter skrev nu ut i vissa fall i fyra dagar i sträck. Den första skrivaren såldes 1993 till Hitchner Corporations, Metal Casting Technology R&D group där de skriver ut golfklubbhuvuden och delar till bilmotorer.

Extrudering av materialRedigera

Fused filament fabrication (FFF), även känd under den varumärkesskyddade termen fused deposition modeling (FDM), härstammar från ett system för automatisk svetsning av polymerfolier med varmluft, limning med smältlim och automatisk deponering av packningar. Principen vidareutvecklades av S. Scott Crump i slutet av 1980-talet och kommersialiserades 1990 av Stratasys. Efter det att patentet på denna teknik löpt ut utvecklades ett stort utvecklingssamfund med öppen källkod och både kommersiella varianter och gör-det-själv-varianter som utnyttjar denna typ av 3D-skrivare dök upp, kända som RepRap-projektet (för ”self-replicating rapid prototyper”, dvs. självreplikerande snabbprototyper). Som ett resultat av detta har priset på denna teknik sjunkit med två storleksordningar sedan den skapades, och den har blivit den vanligaste formen av 3D-utskrift.

In fused deposition modeling produceras modellen eller delen genom att små pärlor eller strömmar av material extruderas, vilka omedelbart härdar och bildar lager. En tråd av termoplast eller annat material eller blandning med låg smältpunkt matas in i ett extruderingsmunstycke (extruder för 3D-skrivare), där tråden värms upp till sin smälttemperatur och extruderas på ett byggbord. På senare tid har man utvecklat fused pellet deposition (eller fused particle deposition), där partiklar eller pellets av plast ersätter behovet av filament. Munstyckshuvudet värmer upp materialet och slår på och av flödet. Vanligtvis används stegmotorer eller servomotorer för att flytta extruderingshuvudet och justera flödet. Skrivaren har vanligtvis tre rörelseaxlar. Ett CAM-programpaket (Computer-aided manufacturing) används för att generera G-koden som skickas till en mikrokontroller som styr motorerna.

Plast är det vanligaste materialet för sådan utskrift. Olika polymerer kan användas, bland annat akrylnitrilbutadienstyren (ABS), polykarbonat (PC), polymjölksyra (PLA), polyeten med hög densitet (HDPE), PC/ABS, polyfenylsulfon (PPSU) och höghållfast polystyren (HIPS). I allmänhet är polymeren i form av en filament som tillverkats av nyproducerade hartser. Det finns flera projekt i det öppna samhället som syftar till att förädla plastavfall efter konsumtion till filament. Dessa omfattar maskiner som används för att strimla och extrudera plastmaterialet till filament, t.ex. återvinningsrobotar. Dessutom används fluoropolymerer som PTFE-slangar i processen på grund av materialets förmåga att motstå höga temperaturer. Denna förmåga är särskilt användbar vid överföring av filament.

Metall och glas kan båda användas för 3D-utskrift också, även om de är mycket dyrare och i allmänhet används för konstverk. Utvecklingen av WAAM (wire arc additive manufacturing) har dock sänkt kostnaderna för 3D-utskrift av metall.

FDM är något begränsad när det gäller variationen av former som kan tillverkas. Till exempel kan FDM vanligtvis inte tillverka stalaktitliknande strukturer, eftersom de skulle vara utan stöd under uppbyggnaden. I annat fall måste ett tunt stöd konstrueras i strukturen, som kan brytas bort under färdigställandet. Vanligtvis tar programvaran som omvandlar 3D-modellen till en uppsättning platta lager, kallad slicer, hand om tillägget av dessa stöd och vissa andra resurser för att möjliggöra tillverkningen av denna typ av former.

PulverbäddsfusionEdit

En annan metod för 3D-utskrift är selektiv sammansmältning av material i en granulatbädd. Tekniken smälter delar av lagret och rör sig sedan uppåt i arbetsområdet, lägger till ytterligare ett lager granulat och upprepar processen tills stycket har byggts upp. Denna process använder de icke-smältande medierna för att stödja överhäng och tunna väggar i den del som tillverkas, vilket minskar behovet av tillfälliga hjälpstöd för delen. Vid selektiv värmesintring applicerar t.ex. ett termiskt skrivarhuvud värme på lager av pulveriserad termoplast. När ett lager är färdigt flyttas pulverbädden nedåt och en automatiserad vals lägger till ett nytt lager material som sintras för att bilda nästa tvärsnitt av modellen.

Selective Laser Sintering (SLS) utvecklades och patenterades av Dr. Carl Deckard och Dr. Joseph Beaman vid University of Texas at Austin i mitten av 1980-talet, under sponsring av DARPA. En liknande process patenterades utan att kommersialiseras av R. F. Housholder 1979.

Selektiv lasersmältning (SLM) använder inte sintring för sammansmältning av pulverkorn, utan smälter pulvret helt och hållet med hjälp av en högenergilaser för att skapa helt täta material i en skiktvis metod som har mekaniska egenskaper som liknar dem hos konventionellt tillverkade metaller.

Electron beam melting (EBM) är en liknande typ av additiv tillverkningsteknik för metalldelar (t.ex. titanlegeringar). EBM tillverkar delar genom att smälta metallpulver lager för lager med en elektronstråle i ett högvakuum. Till skillnad från metallsintringstekniker som arbetar under smältpunkten är EBM-delar fria från håligheter.

Binder jettingEdit

Tekniken för 3D-utskrift med binder jetting innebär att ett bindemedel läggs på lager av material, vanligen i pulverform, med ett bindemedel. Materialen kan vara keramiskt baserade eller av metall. Denna metod är också känd som bläckstrålesystem för 3D-utskrift. För att tillverka detaljen bygger skrivaren upp modellen med hjälp av ett huvud som rör sig över plattformsbasen och deponerar, ett lager i taget, genom att sprida ett lager pulver (gips eller hartser) och skriva ut ett bindemedel i delens tvärsnitt med hjälp av en bläckstråle-liknande process. Detta upprepas tills varje lager har tryckts. Denna teknik gör det möjligt att skriva ut prototyper i fullfärg, överhäng och delar av elastomer. Styrkan hos utskrifter med bundna pulver kan ökas med impregnering av vax eller härdplastpolymerer.

StereolitografiRedigera

Stereolitografiprocessen (SLA) bygger på ljushärdning (fotopolymerisering) av flytande material till en fast form; den patenterades 1986 av Chuck Hull.

I denna process utsätts ett kar med flytande polymer för kontrollerad belysning (som en laser eller en digital ljusprojektor) under säkra ljusförhållanden. Vanligast är att den exponerade flytande polymeren härdar genom tvärbindning som drivs av additionsreaktionen av kol-kol-dubbelbindningar i akrylater. Polymerisation sker när fotopolymerer exponeras för ljus när fotopolymerer innehåller kromoforer, annars används tillsatsmolekyler som är ljuskänsliga för att reagera med lösningen för att påbörja polymerisationen. Polymerisation av monomerer leder till tvärbindning, vilket skapar en polymer. Genom dessa kovalenta bindningar förändras lösningens egenskaper. Byggplattan rör sig sedan nedåt i små steg och den flytande polymeren exponeras återigen för ljus. Processen upprepas tills modellen har byggts. Den flytande polymeren töms sedan ur karet och lämnar kvar den fasta modellen. EnvisionTEC Perfactory är ett exempel på ett DLP-system för snabb prototypframställning.

Inkjetskrivarsystem som Objet PolyJet-systemet sprutar fotopolymermaterial på en byggplatta i ultratunna skikt (mellan 16 och 30 µm) tills delen är färdig. Varje fotopolymerlager härdas med UV-ljus efter det att det har sprutats, vilket ger helt härdade modeller som kan hanteras och användas omedelbart, utan efterhärdning. Det gelliknande stödmaterialet, som är utformat för att stödja komplicerade geometrier, avlägsnas för hand och med vattenstrålning. Det är också lämpligt för elastomerer. Det finns en annan typ av bläckstråleutskriftssystem på marknaden som kan skriva ut en fotopolymer i lager för lager, med mellanliggande UV-härdning, för att tillverka oftalmiska korrigeringslinser. Inga stödkonstruktioner behövs i detta fall, eftersom oftalmiska linser inte behöver överhäng. Luxexcel, ett nederländskt företag, har kommersialiserat denna teknik och utskriftsplattform.

Ultralilla funktioner kan tillverkas med den 3D-mikrotillverkningsteknik som används vid multifotonfotopolymerisering. Denna metod använder en fokuserad laser för att spåra det önskade 3D-objektet i ett gelblock. På grund av fotoexciteringens icke-linjära natur härdas gelen till ett fast material endast på de ställen där lasern var fokuserad, medan den återstående gelen sedan sköljs bort. Funktioner med en storlek på under 100 nm tillverkas lätt, liksom komplexa strukturer med rörliga och sammankopplade delar.

I ett annat tillvägagångssätt används ett syntetiskt harts som stelnar med hjälp av lysdioder.

I maskbildprojektionsbaserad stereolitografi skärs en digital 3D-modell upp med hjälp av en uppsättning horisontella plan. Varje skiva omvandlas till en tvådimensionell maskbild. Maskbilden projiceras sedan på en yta av fotohärdbar flytande harts och ljus projiceras på hartset för att härda det i skiktets form. Tekniken har använts för att skapa objekt som består av flera material som härdar i olika hastigheter. I forskningssystemen projiceras ljuset underifrån, vilket gör att hartset snabbt kan spridas ut i enhetliga tunna skikt, vilket minskar produktionstiden från timmar till minuter. Kommersiellt tillgängliga enheter som Objet Connex applicerar hartset via små munstycken.

Continuous liquid interface production (CLIP) är en annan form av additiv tillverkning som använder den DLP-baserade fotopolymeriseringsprocessen för att skapa fasta föremål med släta sidor i många olika former. Den kontinuerliga CLIP-processen börjar med en pool av flytande fotopolymerharts. En del av bassängens botten är genomskinlig för ultraviolett ljus (”fönstret”). I likhet med DLP-system tidigare lyser en ultraviolett ljusstråle genom fönstret och belyser det exakta tvärsnittet av objektet. Ljuset får hartset att stelna. Föremålet stiger tillräckligt långsamt för att harts ska kunna rinna under och hålla kontakt med föremålets botten. CLIP skiljer sig från traditionella DLP-processer på grund av ett syregenomsläppligt membran som ligger under hartset, vilket skapar en ”död zon” (bestående vätskegränssnitt) som hindrar hartset från att fästa vid fönstret (fotopolymerisationen hämmas mellan fönstret och polymerisatorn).

Till skillnad från stereolitografi anses utskriftsprocessen vara kontinuerlig av sina grundare och betydligt snabbare än traditionella DLP-processer, vilket gör det möjligt att tillverka delar på några minuter i stället för timmar.

Nyligen har användningen av stereoligrafiska 3D-utskriftstekniker utvecklats ytterligare för att möjliggöra additiv tillverkning av keramiska material. Framgångsrik 3D-utskrift av keramik med hjälp av stereolitografi uppnås genom fotopolymerisering av prekeramiska polymerer för att ge kiselbaserad keramik av en klass som är mer allmänt känd som polymerbaserad keramik, inklusive kiselkarbid och kiseloxikarbid.

Axial litografi med datoriserad bildberäkningRedigera

Axial litografi med datoriserad bildberäkning är en metod för 3D-utskrift som bygger på att man vänder på principen för datortomografi (CT) för att skapa avtryck i fotohärdbar harts. Den utvecklades genom ett samarbete mellan University of California, Berkeley och Lawrence Livermore National Laboratory. Till skillnad från andra metoder för 3D-utskrift bygger den inte modeller genom att deponera lager av material som vid fused deposition modelling och stereolitografi, utan skapar objekt med hjälp av en serie 2D-bilder som projiceras på en cylinder av harts. Den är känd för sin förmåga att bygga objekt mycket snabbare än andra metoder som använder harts och förmågan att bädda in objekt i utskrifterna.

Flytande additiv tillverkningRedigera

Liquid additive manufacturing (LAM) är en additiv tillverkningsteknik som deponerar en vätska eller ett högvisköst material (t.ex. flytande silikongummi) på en byggnadsyta för att skapa ett objekt, som sedan vulkaniseras med hjälp av värme för att härda det. Processen skapades ursprungligen av Adrian Bowyer och byggdes sedan vidare av tyska RepRap.

LaminationEdit

I vissa skrivare kan papper användas som byggmaterial, vilket resulterar i en lägre kostnad för att skriva ut. Under 1990-talet saluförde vissa företag skrivare som med hjälp av en koldioxidlaser skar ut tvärsnitt ur ett speciellt klisterbelagt papper och sedan laminerade dem tillsammans.

Under 2005 utvecklade Mcor Technologies Ltd en annan process där man använde vanliga ark kontorspapper, en hårdmetallklinga för att skära formen och en selektiv deponering av klister och tryck för att binda ihop prototypen.

Det finns också ett antal företag som säljer skrivare som skriver ut laminerade objekt med hjälp av tunna plast- och metallplattor.

Ultrasonic Consolidation (UC) eller Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) är en additiv tillverkning eller 3D-utskriftsteknik för metaller vid låg temperatur.

Directed Energy Deposition (DED)Redigera

Pulvermatad riktad energiutfällningRedigera

I pulvermatad riktad energiutfällning används en högeffektslaser för att smälta metallpulver som levereras till laserstrålens fokus. Laserstrålen går vanligtvis genom centrum av deponeringshuvudet och fokuseras till en liten punkt med hjälp av en eller flera linser. Byggandet sker på ett X-Y-bord som drivs av en verktygsbana som skapats från en digital modell för att tillverka ett objekt lager för lager. Utfällningshuvudet flyttas vertikalt uppåt när varje lager är färdigt. Metallpulver levereras och fördelas runt huvudets omkrets eller kan delas upp av en intern fördelare och levereras genom munstycken som är placerade i olika konfigurationer runt deponeringshuvudet. En hermetiskt förseglad kammare fylld med inert gas eller en lokal inert skyddsgas används ofta för att skydda smältbadet från atmosfäriskt syre för bättre kontroll av materialegenskaperna. Den pulvermatade riktade energiprocessen liknar selektiv lasersintring, men metallpulvret appliceras endast där material läggs till detaljen för tillfället. Processen stöder ett brett spektrum av material, inklusive titan, rostfritt stål, aluminium och andra specialmaterial samt kompositer och funktionellt graderade material. Processen kan inte bara bygga helt nya metalldelar utan också lägga till material till befintliga delar, till exempel för beläggningar, reparationer och hybridtillverkningstillämpningar. LENS (Laser Engineered Net Shaping), som utvecklats av Sandia National Labs, är ett exempel på Powder Fed – Directed Energy Deposition-processen för 3D-utskrift eller restaurering av metalldelar.

MetalltrådsprocesserRedigera

Laserbaserade trådmatningssystem, t.ex. Laser Metal Deposition-wire (LMD-w), matar in tråd genom ett munstycke som smälts av en laser med hjälp av en inertgasavskärmning i antingen en öppen miljö (gas som omger lasern), eller i en sluten kammare. Vid friformstillverkning med elektronstråle används en värmekälla med elektronstråle i en vakuumkammare.