About 3D Printers and 3D Printing

What is a 3D printer?

3D printers are machines that produce physical objects from three-dimensional digital data files. Unlike traditional cutting CNC milling that removes material from a block, 3D printing is built up in an additive process that vertically hardens the object in contours layer by layer.

The layer thickness (Z axis) and the layer contour resolution (X and Y axis) define the model's surface smoothness and the time it takes to 3D print the object.

We offer a wide range of 3D printers from popular brands such as Formlabs, Ultimaker and Flashforge. See all of our 3D printers here!

Software for 3D printing

Before CAD files can be 3D printed, a special software needs to divide the volume vertically into several thin, even layers. These two-dimensional intersections describe the contour and fill of each layer that the 3D printer then creates in a predetermined subject. In most cases, the 3D printing software needed is included when you purchase a 3D printer.

STL-beredning och lagning

Majoriteten av 3D-skrivare på marknaden skapar föremål från filer som beskriver 3D-formen i triangulerade trådmodeller. Dessa filer kan, på grund av sin natur och sättet de skapas på, innehålla defekter som behöver lagas innan 3D-skrivaren kan ta emot det. Likaså kan det finnas behov att dela upp, placera och rotera en eller flera 3D-filer i det mest gynnsamma läget för 3D-utskrift.

Vanliga felaktigheter i trådmodeller är att de kan innehålla hål, felvända ytor, överlappande trianglar, osv.

För att åtgärda detta brukar man använda sig av så kallade 3D-printberedningsprogram som har specialiserade funktioner för att laga och anpassa modeller för 3D-utskrift.

Vilka material printar 3D-skrivare med?

Det finns flera typer av 3D-skrivare som kan framställa prototyper och färdiga bruksföremål i olika material. Gemensamt för alla är att materialen har en ursprungsegenskap som gör det möjligt för 3D-skrivaren att sprida ut och placera rätt mängd på rätt plats för varje lager. I printprocessen härdas sedan materialet till dess slutliga fasta form.I huvudsak kan man klassificera materialen och processerna i fem kategorier som följer:

1. Spritsning - 3D-skrivaren spritsar ut ett ämne genom ett litet hål i en verktygsspets som rör sig över skrivarytan. Materialen kan sträcka sig från smält termoplast till andra segflytande ämnen som går att härda (silikon, lera, choklad, osv).

2. Pulver - 3D-skrivaren sprider ut ett jämnt lager av pulver över en bädd som kan bestå av olika material såsom plaster/polymerer, gips, metall, glas och socker. Utvalda områden härdas sedan genom t. ex. limning eller smältning.

3. Fotopolymer över bädd - 3D-skrivaren härdar flytande plast i en bädd. Selektiva områden övergår till fast form när de belyses med ljus av en viss våglängd. Detta sker med hjälp av t. ex. en laserstråle eller pixelprojektor som belyser lagerytan.

4. Fotopolymer genom selektiv placering - 3D-skrivaren härdar flytande plast som övergår till fast form när det belyses med ljus av en viss våglängd. Detta sker genom att placera mikroskopiska droppar flytande plast genom ett bläckstrålehuvud som selektivt placerar plasten över lagerytan. Härdningen sker helt eller delvis i samband med deponeringen på byggytan. Eventuell efterhärdning behövs.

5. Folie - 3D-skrivaren skär ut lagerprofilerna i ett foliematerial som limmas ihop lager för lager. Materialet kan t. ex. vara plast, trä eller vanligt papper.

Stödmaterial

I de flesta 3D-printprocesser behöver vissa ytor av en 3D-modell stödjas underifrån. Detta är nödvändigt på de ställen där ett underliggande lager inte kan ge tillräckligt stöd åt det ovanstående lager det bär.

I många fall kan 3D-skrivare bygga modeller med viss negativ lutning (överhäng) utan att behöva använda sig av stödmaterial. När vinkeln är för stor eller en separat “ö” uppstår utan underliggande lager, behöver 3D-skrivaren skapa en stödstruktur som bokstavligen talat bär upp dessa områden.

Stödstrukturer räknas ut av 3D-printprogrammet automatiskt eller kan skapas/justeras manuellt. Själva materialet som strukturerna består av brukar vara ett ämne som låter sig avlägsnas genom kemisk, mekanisk eller värmebehandling. Stödytor kan också göras av samma material som själva modellen består av. I detta fall skapas brottanvisningar för att underlätta stödmaterialborttagningen.

Typexempel

Formen av en kaffekopp är ett typiskt fall där ett objekt behöver stödmaterial. Koppen kan exempelvis ha en viss negativ lutning utåt och ändå ha områden som skrivs ut utan stödmaterial. Där koppen däremot har ett öra kommer dess nedersta första lager att plötsligt forma ett område (en ö) som inte ligger i anslutning med koppens runda genomskärningsprofil. Om 3D-skrivaren inte har skapat ett stödmaterial som sträcker sig från bottenplattan upp till örats nedersta del, kommer örats material att ramla ner mot botten.

3D-printing utan stödmaterialbehov

3D-skrivare som skapar modeller genom att täcka byggytan med ett lager pulver eller en folie, erbjuder 3D-modellen 100% täckning och stöd för varje lager. Detta innebär att processen kan skapa modeller utan något som helst behov av stödmaterial då själva materialet som inte härdas fyller den rollen. I vissa processer återanvänds hela eller majoriteten av materialet som inte härdas av 3D-skrivaren för att bygga nya modeller.

Ytjämnhet 

Då 3D-printprocessen omvandlar en CAD-modell i trianglar och delar upp 3D-filen i flera lager sätts det samtidigt en begränsning i hur noggrannt en 3D-utskriven modell liknar originalfilens yta. Det delas in i horisontellt i sidled och djupled för varje lager (X- och Y-axel). Höjdleden (Z-axeln) beskrivs av alla lager ovanpå varandra. Tjockleken i varje lager anger modellens upplösning. Ju tunnare lager desto slätare yta upplevs där modellen har en krökt yta. De flesta 3D-skrivare kan åstadkomma tunna lager på ner till 0,1 mm. Detta är samma tjocklek som ett vanligt 80 g A4 papper har. Ett ekelt sätt att simulera ytnoggrannheten av en 3D-utskrift är att lägga flera pappersark på varandra och med tummen förskjuter dem så att det bildas en rundning. 

Användningsområden

3D-printing används traditionellt som metod för att skapa produktprototyper snabbt (rapid prototyping). Det finns dock många applikationer där 3D-printade modeller fungerar som slutlig produkt för funktionella eller dekorativa användningsområden. Se en lista på typiska 3D-printapplikationer:

• Prototyper inom produktdesign
• Framställning av reservdelar
• Fixturer för tillverkningsindustrin
• Leksaker och spel
• Arkitektoniska skalmodeller
• Landskapsarkitektur
• 3D-printade organ (bio-3D-printing)
• Individanpassad protesframställning
• Individanpassade hjälpmedel
• Dekorativa designföremål

Filformat

3D-skrivare har sedan starten använt sig i huvudsak av det triangulerade filformatet STL som står för Stereolitografi (Wikipedia). Formatet används idag som en vanlig standard inom 3D-printing.

I de flesta fall skapas STL-filer när CAD-program omvandlar parametriska “perfekta” ytor till triangulerade trådmodeller. Denna process kan göras i varierande form och upplösning, vilket innebär att en och samma CAD-fil kan representeras i olika triangeltätheter beroende på hur det skapades. Om konverteringen inte sker på rätt sätt kan 3D-utskriften få en sämre ytkvalitet än orinigalfilen representerar.

Utöver STL-filformatet förekommer även andra filer så som OBJ (Wikipedia),  WRML (Wikipedia) och 3DS (Wikipedia), för vilka det finns stöd i flera 3D-print- och beredningsprogram. Det förhållandevis nya filformatet AMF - Additive Manufacturing File Format (Wikipedia) utvecklas nu och är särskilt framtaget för 3D-printing för att kunna möta framtidens nya behov.

3D-formens återgivning i trianglar

I ett CAD-program formger man oftast i så kallade parametriska ytor och solider. Dessa beskriver plana ytor och kurvaturer på ett perfekt geometriskt sätt. Vid omvandling till triangulerade 3D-printfilformat (t. ex. STL) behöver formen “täckas” och ersättas med trianglar i en lagom täthet, noggrannhet och upplösning.

Processen kan man enklast förstå när ett simpelt CAD-objekt som en cylinder omvandlas till en tringulerad version av samma form. Vid export och konvertering till STL-format brukar man genom en dialogruta kunna bestämma polygontätheten/upplösningen som filen kommer att få. Det kan t. ex. röra sig om ett procentuellt värde eller ett reglage som man justerar mellan låg, medel och hög nivå.

I CAD-programmet kan man utan vidare zooma in mot cylinderns kontur utan att man ser någon ytindelning eller “hackighet”. Rundheten i cylindern är oändligt slät. I kontrast kommer STL-versionen av samma cylinder att representera rundheten genom ett antal trianglar som sträcker sig runt och täcker hela cylindern. Ju fler trianglar, desto “slätare” upplever man cylindern, men vid en viss gräns kan man urskilja varje enskild platt triangel som angränsas av en lika platt triangel. Därmed finns det efter konverteringen en bestämd och begränsad upplösning som beskriver detaljrikedomen som återges i STL-versionen av CAD-cylindern.

Det finns ett otal sätt att triangulera CAD-ytor till trianglar och olika parametrar kan vara lämpliga för olika ändamål. Huvudsaken är att man vid konvertering inte skapar modeller som är för lågupplösta och understiger den nominella ytans tolerans, eller att man skapar filer som är onödigt tunga.

När man modellerar objekt i de flesta 3D-visualiseringsprogram brukar man använda sig av polygonmodelleringstekniker vilket redan från början är baserad på platta trianglar eller polygoner. Likaså åstadkommer 3D-skulpterings- och 3D-skanningsprogram triangel-, punkt- eller voxelinformation som förbestämmer upplösningen i STL-filen.

Processer och akronymer

Det är inte ovanligt att 3D-printing uppfattas och beskrivs av de olika tillverkningsmetoder och dess industriella akronymer. Varje metod har sina för- och nackdelar. Det är inte ovanligt att man i en produktionsmiljö med 3D-skrivare har flera olika 3D-skrivare. Nedan följer en lista på de vanligaste.

• FDM (Fused Deposition Modeling - Även kallad för FFF - Fused Filament Fabrication eller MPD - Molten Polymer Deposition) - En tunn sträng av byggmaterial (kan vara plast, silikon, sockerlösningar, t.o.m. träfibrer, choklad, m.fl.) spritsas ut i horisontella skikt. Skikten överlappar och fäster i varandra och bildar på så sätt modellens form. (Wikipedia)

• SDM (Stick Deposition Moulding) - Teknik som liknar FFF men är unik för fabbster 3D-skrivare där materialet består av 25 cm långa fyrkantiga kuggstänger (Sticks - 3 x 3 mm i tvärsnitt). Dessa kan därmed greppas stadigt av två kugghjul i 3D-printhuvudet. Det ger perfekt kontroll över matningen och man slipper helt eventuella problem då rundtråd ibland kan slira och stå stilla om anhållstrycket inte är korrekt justerat. I likhet med kasetten i en spikpistol, matas Sticks-pinnarna horisontellt i en kasett där de gradvis dras fram och hakar i varandra för att forma en lång sträng under 3D-printing.

• DLP (Digital Light Processing) - Ett flytande byggmaterial härdas till modellens form genom projicerat UV-ljus. Varje tunt skikt härdas i sin helhet oavsett täckningsgrad inom några sekunder vilket snabbar upp processen.

• SLS (Selective Laser Sintering) - Laserstråle sveper över en bädd enligt formen av modellens tvärsnitt. Byggmaterialet, vanligtvis ett pulver, härdas av laserstrålens värme till fast form och genom upprepade iterationer med laserstrålen byggs modellen upp. (Wikipedia)

• SLA (Stereolithography) - Laserstråle sveper över en bädd enligt formen av modellens tvärsnitt. Byggmaterialet, vanligtvis en flytande polymer, härdas av laserstrålen till fast form och genom upprepade iterationer då modellen byggs upp. (Wikipedia)

• PP (Plaster-based Printing - Även kallad ZCorp) - Denna teknologi kan liknas vid en traditionell 2D-printer. Istället för pappersark används tunna skikt gipspulver som en vals kavlar fram. För selektiv härdning avnänds standard bläckstrålepatroner som sprutar ut ett lim. Vissa 3D-skrivare har lim i olika färger och kan på så sätt få fram färgnyanser i 3D-utskriften.

• LOM (Laminated object manufacturing) - I denna teknik fylls hela byggytan med ett foliematerial som härdas/limmas och skärs längst med varje konturlager. (Wikipedia)

Externa referenser

• Selective Laser Sintering, Birth of an Industry (The University of Texas at Austin)

• 3D Printing (Wikipedia)