3D-utskrift

3D-utskrift eller 3D-printing, også kalt additiv produksjon eller additiv tilvirkning (fra engelsk additive manufacturing), er en produksjonsteknikk der tredimensjonale objekter bygges opp lag for lag ved hjelp av et skriverhode. Utskriften av hvert lag kan minne en del om todimensjonal blekkutskrift. 3D-utskrift er ikke blant de hurtigste tilvirkningsteknikkene, men er veldig fleksibelt. Derfor brukes det spesielt mye til å lage prototyper, modeller og gjenstander som produseres i små kvanta. 

Prosessen styres av et dataprogram, og foregår i spesielle prototypemaskiner som også kalles 3D-skrivere. Forutsetningen for å kunne produsere en prototype på en 3D-skriver er en 3D-datafil av den delen som skal lages. Fordelen med 3D-printing er at man ut fra 3D-datafilen kan lage en fysisk del raskt og kostnadsgunstig, og uten bruk av støpeverktøy. 3D-utskrift skiller seg fra andre typer produksjon ved at den ikke benytter noen form for kutting eller drilling.

3D-utskrift anvendes eksempelvis innen produktutvikling og industridesign, innen arkitektur og annen modellbygging, og innen ortopedi og tekniske hjelpemidler.

 Varianter 
En 3D-skriver kan bruke mange forskjellige materialer; mest brukt er plast. Vanligste plasttyper er ABS (Akrylnitril-butadien-styren) og PLA (Polymelkesyre), men mer avanserte skrivere kan også blant annet bruke PVA, PA, PC, POM, PETG, HIPS og elektrisk ledende plast (ABS).

 Prosesser 
Det finnes flere kategorier 3D-utskrift basert på hvordan lagene bygges, og disse prosessene er mulige å bruke med ulike materialer.

 Filament:
 Filamentskriver bruker en plasttråd som går gjennom en ekstruder der plasten smeltes i en plastsmelter (engelsk: hot end) og påføres med en dyse (engelsk: nozzle) for å bygge opp en modell på en byggeflate. En vanlig dysestørrelse er 0.4 mm. Mindre dyse (f.eks. 0.25 mm) gir mulighetfor mer detaljer, mens større dyse (f.eks. 1 mm) gjør det mulig med raskere utskrift. Skrukoblingen til dysen har som regel M6-gjenger, og kan byttes med 7 mm skiftenøkkel. Dysen er ofte laget av messing, som leder varme bra, er relativt hardt, og er enkelt å maskinere. Herdet sort stål har også en viss popularitet, og har fordelen at den slites mindre og dermed varer lengre, men leder varme litt dårligere. Rustfritt stål brukes i applikasjoner den fremstilte delen skal brukes til næringsmiddel. Kobber er et mindre brukt materiale.
 Pulver:
 Selektiv lasersintring (engelsk Selective Laser Sintering - SLS).
 Multijetfusjon (engelsk MultiJet Fusion - MJF).
 Fotokjemisk bad:
 Stereolitografi (engelsk Stereolithography - SLA).
 Digital lysprosessering (engelsk Digital Light Processing - DLP).

 Kinematikk 
Kinematikk er hvordan skriveren beveger seg. Alle typene kinematikk kan tunes til svært høy 3D-skrivehastighet, og man kan se sammenlignbare hastigheter blant moderne CoreXY, kartesiske og deltaroboter. Det varierer også hvor egnet de er til innbygging i lukket kammer, hvilket gir mulighet for temperaturkontroll som er nødvendig for enkelte typer filament og dessuten kan dempe støy.

Vanlige:
 Kartesisk kinematikk har lenge vært mest vanlig på hjemmeskrivere. Den definerende egenskapen er at hver akse har egne motorer som kun utfører bevegelse langs den aksen. En vanlig variant er at plattformen beveger seg frem og tilbake langs y-aksen som en sleide (bed slinger), mens skriverhodet beveges langs x- og z-aksene med ledeskruer. Et velkjent eksempel er Prusa i3 og kloner. Disse har få komponenter og enklest mekanikk, og kan derfor fås til rimelig pris og er relativt enkle å vedlikeholde. De tar mest bordplass fordi byggeplaten må sendes forover og bakover under utskrift. Skriving av høye gjenstander kan være utfordrende siden gjenstanden lettere kan løsne når platen sendes frem og tilbake. De kan være utfordrende å bygge inn i lukket kammer på grunn av at skriverflaten stikker ut av skriveren foran og bak under drift.
 Delta-skrivere har enkel mekanikk, og siden alle delene befinner seg innenfor rammen er de enkle å bygge med lukket kammer. Skriveflaten er sirkulær. De har trekantet avtrykk på bordflaten som gjør de mindre stabile, og er veldig høye (skriverne blir typisk omtrent dobbelt så høye som maks skrivehøyde).
 CoreXY er plassbesparende siden den har alt bygget inni en firkantet ramme, og tar lite plass både på bordflaten og i høyden. Har et intrikat beltesystem som kan være komplisert å vedlikeholde. Er enkle å bygge inn i lukket kammer siden ingenting stikker ut under drift. Har begynt å bli vanlig på dyrere hjemmeskrivere siden rundt 2020. Bevegelse i høyderetning gjøres oftest ved hjelp av en hev-senk-plattform (bed dropper), altså at byggeflaten beveger seg vertikalt (langs z-aksen). Alternativt kan ma ha en beltemekanisme i vertikalplanet, en såkalt flyvende bæreramme (flying gantry), slik at skrivehodet kan bevege seg langs alle akser og byggeflaten er stasjonær.

Andre:
 Polarkoordinat/sylinderkoordinat-skrivere har en sirkulær skriveflate som roterer. De har hatt begrenset kommersialisering (for eksempel Sculpto PRO2 og Polar Cloud). De er kjent for høyere hastighet, men er ikke alltid like presise.
 Robotarm-skrivere (også kalt «SCARA»-skrivere, etter det engelske akronymet Selective Compliance Articulated Robot Arm)
 CoreXZ, en variant av «bed slingers» der xz-planet drives av en intrikat beltemekanisme lik den på CoreXY, bare rotert 90 grader. Skriveflaten flytter seg fortsatt forover og bakover langs y-aksen. Det hevdes at beltedrift i stedet for ledeskruer kan gjøre en CoreXZ mer presis enn tradisjonelle «bed slingers», på bekostning av mer komplisert kinematikk. I likhet med tradisjonelle kartesiske skrivere er de vanskelige å bygge inn på grunn av at byggeplaten sendes forover og bakover under utskrift.

 Slicing 
En slicer et program som brukes for å konvertere en 3D-objektfil (for eksempel i STL-format) til instruksjoner for skriveren (for eksempel g-kode-format). I sliceren er det ofte mulighet for å sette mange innstillinger som påvirker kvaliteten og tiden til utskriften, som for eksempel fyllingsgrad og lagtykkelse. Noen skrivere har innebygd slicer i skriveren slik at man kan laste inn en STL-fil direkte i skriveren, men dette gir ofte mindre kontroll over utskriften. Noen eksempler på kjente slicerprogrammer er Cura og PrusaSlicer.

 Åpen kildekode 
Det finnes både kommersielle og frie (åpen kildekode, open source code) 3D-skrivere. Eksempler på 3D-skrivere med åpen standard er RepRap og de tidlige utgavene av Ultimaker.
 Skrivehastighet 

miniatyr|Modell av en hånd skrives ut i plast på en Makerbot Replicator 2 (intervallvideo).

Vanlig skrivehastighet på hjemmeskrivere er mellom 50 til 150 mm/s, og varierer med mange faktorer som for eksempel fyllingsgrad (engelsk infill).

 Støynivå 
Støynivå måles i desibel (dB), og kan variere mye i hjemmeskrivere fra 15 dB til 75 dB.How Loud Are 3D Printers and Making Them Quiet. Noen hovedkilder av støy i filamentskrivere er vifter, motorer og lagre, mens i harpiksskrivere er viftene vanligvis ansvarlige for mesteparten av støyen. Noen metoder for å dempe støyen fra en skriver kan være vibrasjonsisolering, vifter med større diameter, jevnlig vedlikehold og smøring, eller bruk et lydisolerende kabinett.

 Styring 
For å styre koordinatbordet eller skriverhodet på 3D-skrivere brukes ofte enten bevegelsesskruer med trapesgjenger, vanlige gjengestenger, eller eventuelt beltedrift med tenner.

 Høydeaksen 
I høyderetningen (z-aksen) er det vanlig å bruke bevegelsesskruer. Bevegelsesskruer med trapesgjenger har mindre friksjon, men koster mer, og skrivere til hjemmebruk bruker som regel trapesgjenger med fire gjengestarter. Vanlige gjengestenger er et rimeligere alternativ som kan sees på en del billige forbrukereskrivere eller hjemmelagde 3D-skrivere, og da brukes som regel rustrfrie M8x1.25 mm- eller M5x0.8 mm-gjenger. Dyre skrivere benytter av og til kuleskruer som har mindre dødgang og innebygd kulelager for mindre friksjon. Metoder for å få mindre dødgang med vanlige gjengestenger inkluderer messing-støtdempere med stålfjærer.

 Bordplanet 
De fleste 3D-skrivere har et koordinatbord i bordplanet (x- og y-aksen, altså lengde- og bredderetningen). Her er det mest vanlig med beltedrift på hjemmeskrivere, og da som regel såkalte «GT2»-belter med 2 mm stigning.

 Historie 

 1940 
Det generelle konseptet av en prosedyre som blir brukt av 3D-skriving ble først forklart av Murray Leinster i hans korthistorie Things Pass By i 1945.

 1950 

 1960 

 1970 
I 1971 hadde Johannes F Gottwald en patent på en kontinuerlig «blekk»stråle av metall for å lage en flyttbar metallkonstruksjon på en gjenbrukbar overflate for umiddelbar bruk eller omsmelting. Dette ser ut til å være den første patent som beskriver 3D-utskrift til rask prototypekontruksjon. 

I 1974 la David E. H. Jones frem et konsept til 3D-utskrift i sin spalte i magasinet New Scientist.

 1980 
Additivt produksjonsutstyr og materialer ble utviklet tidlig på 1980-tallet.

I april 1980 oppfant Hideo Kodama fra Nagoya kommunale industriforskningsinstitutt to additivmetoder for fremstilling av tredimensjonale plastmodeller med fotoherdende plast, der UV-eksponeringsområdet blir kontrollert av et maskemønster eller en skanningsfibersender. Han søkte på patent på denne XYZ-plotteren, som ble publisert 10. november i 1981. (JP S56-144478). Hans forskningsresultater ble framhevet i tidsskriftsartikler som ble publisert i april og november i 1981. Det var imidlertid ingen respons på serien av publikasjonene hans. Enheten hans ble ikke høyt evaluert i laboratoriet eller av sjefen hans. Forskningsbudsjettet hans best bare av  yen eller 545 dollar i året. ÅHan ga opp å skaffe seg patentrettighetene til XYZ-plotteren, og prosjektet ble avsluttet.

8. august 1984 ble patent US4575330 tildelt UVP, Inc. Senere leverte Charles «Chuck» Hull fra 3D Systems Corporation inn sin egen patent for et stereolitografisk fabrikasjonssystem, der individuelle laminater eller lag legges til ved herding ved hjelp av fotopolymerer med innfallende stråling, partikkelbombardement, kjemisk reaksjon eller bare ultrafiolett lyslaser. Hull definerte prosessen som et «system for å generere tredimensjonale objekter ved å skape et tverrsnittsmønster av objektet som skal dannes». Hulls bidrag var filformatet STL (Stereolithography) og de digitale skjærings- og utfyllingsstrategiene som er felles for mange prosesser i dag. I 1986 fikk Charles Hull patent på dette systemet, og selskapet hans, 3D Systems Corporation ble dannet. Det ga ut den første kommersielle 3D-skriveren, SLA-1, senere i 1987 eller 1988.

Å eie en 3D-skriver i 1980 ville kostet  dollar (tilsvarende  dollar i 2016).

 1990 

 2020 
I 2020 har 3D-skrivere oppnådd et kvalitets- og prisnivå som gjør dem tilgjengelige for folk flest. I 2020 kan man finne skrivere av brukbar kvalitet for mindre enn  kroner for maskiner på startnivå.. Disse rimeligere modellene er vanligvis filamentskrivere. I november 2021 mottok den britisk pasienten Steve Verze verdens første fullt 3D-printede proteseøye fra Moorfields Eye Hospital i London.

 Bruksområder 

 Byggindustri 

Svenske ConcretePrint har klart å 3D-printe en sylinder bestående av doble vegger i betong.  Målet var å 3D-printe rekkehus sensommeren og høsten 2021, sier administrerende direktør Tobias Haslingen i Concreteprint. De jobber også med å utvikle neste generasjons printer. Den skal ha målene 20 x 15 x 10 meter og være ganske mye raskere. Det stiller høyere krav til elektronikk og motorer.

 Matlaging 

Noen 3D-skrivere kan produsere mat. I desember kunngjorde firmaet MeaTech at selskapet hadde skrevet ut en biff med en vekt på 3,67 gram.

 Medisinsk 
3D-skrivere kan også brukes til å fremstille implantater til ulike deler av kroppen, eksempelvis til hodeskallen, kneskålen eller andre deler som består av bein som kan byttes ut. En av fordelene med disse implantatene er at de kan produseres rask og på sykehuset i tillegg til at de kan produseres sterilt til operasjoner. Ved Rikshospitalet i Oslo skrev hjertespesialister tidligere ut 3D-modeller av pasienthjerter for å forberede seg til kompliserte operasjoner; per 2020 var man imidlertid begynt å bruke hologrammer i stedet for 3D-utskrifter.

 Reparasjoner 
Oppstartfirmaet Kongsberg Ferrotech er spesialisert på undervannsrobotikk og å reparere rørledninger på havbunnen. Kongsberg Ferrotechs metall-3D-printprosjekt er utviklet i samarbeid med Equinor, SINTEF, Gassco og Norges forskningsråd for å utvikle teknologien for applikasjoner for vedlikehold, reparasjon og overhaling (MRO) under vann.

 Se også 
 3D-modellering, 3-dimensjonal matematisk representasjon av et objekt
 3D-skriverfilament, termoplastisk råmateriale for filament-3D-skrivere
 3D-skrivehastighet, hvor rask en 3D-skriver er
 3D-skriverkabinett, innkapsling som kan gi bedre kontroll av miljøet rundt en 3D-skriver
 Dataassistert konstruksjon, konstruksjon av et produkt ved hjelp av datamaskin
 Inngangsforming, teknikk for å redusere vibrasjoner i stegmotorer brukt i åpen sløyfe
 Multimateriale 3D-utskrift, utskrift av flere materialer samtidig, for eksempel med forskjellige farger eller andre egenskaper
 Sammenligning av 3D-skrivere, liste med sammenligning av 3D-skrivere
 Slicer, programvare brukt for konvertere en 3D-modell til skriverkommandoer
 Termisk rusing, overoppheting som kan føre til brann
 Tramming, justering av to plan eller akser slik at de er parallelle eller ortogonale i forhold til hverandre

 Referanser 

 Eksterne lenker 

 RepRap og 3D-skriving i Norge

Kategori:Oppfinnelser fra USA
Kategori:Design
Kategori:3D-utskrift