Argraffu 3D - hanes byr

• Efallai y byddwch yn synnu wrth ddarganfod bod technoleg argraffu 3D yn cael ei grybwyll am y tro cyntaf yn 1981.
• Yn 1984, dyfeisiwyd stereolithograffeg, sef y gallu i ddefnyddio data digidol i greu modelau 3D. Dyna pam y defnyddir y terfyniad ffeil .stl ar gyfer modelau 3D.
• Roedd y fersiynau cyntaf o argraffyddion 3D a ddefnyddiwyd ym maes gweithgynhyrchu yn defnyddio cafn o ffotopolymer hylifol (plastig sy'n adweithio i olau) a ddefnyddiai belydrau laser Uwch Fioled wedi'u targedu i galedu'r plastig mewn siâp penodol.



Model 3D gorffenedig yn cael ei dynnu allan o ffotopolymer hylifol
Llun: UV+EB Technology

• 1992: ymddangosodd dau fath gwahanol o dechnoleg argraffu 3D
• SLA (stereolithographic apparatus): Argraffu model fesul haen
• SLS (selective laser sintering): Defnyddio technoleg laser gyda phlastig powdr yn hytrach na hylif
• Cafodd yr organ ddynol gyntaf a argraffwyd yn 3D ei mewnblannu'n llwyddiannus yn 1999 (pledren oedd yr organ dan sylw)
• Yn ystod y deng mlynedd ganlynol gwelwyd argraffu 3D meddygol yn ehangu i gynnwys arennau gweithredol, coesau prosthetig cymhleth, a hyd yn oed pibellau gwaed (gan ddefnyddio celloedd dynol yn unig - bio-argraffu yw'r enw am hyn).



Clust ddynol a grëwyd gan ddefnyddio technoleg bio-argraffu 3D
Llun gan 3D Natives

• Yr argraffydd 3D cyntaf i fod ar gael yn fasnachol oedd peiriant SLS yn 2006
• 2008: Yr argraffydd 3D hunan-ddyblygol cyntaf ar gael trwy ffynhonnell agored
• Ers hynny, mae argraffyddion 3D wedi dod yn fwy fforddiadwy ac maent ar gael yn eang i gartrefi, ysgolion a busnesau. Plastigau yw'r deunyddiau a ddefnyddir yn fwyaf cyffredin, ond gall argraffyddion arbenigol weithio gydag amrywiaeth o gyfryngau eraill. Mae'r rhain yn cynnwys bio-ddeunyddiau, metelau a hyd yn oed siocled.

Argraffydd 3D wedi'i gynllunio ar gyfer siocled
Llun gan 3Ders.org

Gwneud Modelau drwy'r Dulliau Tynnol/Ychwanegol

Mae dau fath gwahanol o weithgynhyrchu wrth greu modelau 3D, sef y dull ychwanegol a'r dull tynnol

Argraffu Ychwanegol:

Dyma'r dull o gynhyrchu eitem drwy ychwanegu deunydd. Felly, gyda modelau 3D, mae'n tueddu i olygu ychwanegu haenau o ddeunydd nes bod y model wedi'i gwblhau. Mae hyn yn golygu llai o wastraff, ond proses gynhyrchu arafach.

Argraffu Tynnol:

Mae'r dull cynhyrchu hwn yn golygu bod deunydd yn cael ei dynnu i ffwrdd. Ar gyfer modelau 3D, gall hyn olygu eu torri allan o ddarn o ddefnydd mwy o faint gan ddefnyddio rhigolyddion neu laserau. Mae hyn yn golygu mwy o wastraff yn gyfnewid am broses gynhyrchu gyflymach.

Defnyddio argraffyddion 3D

Rydym eisoes wedi crybwyll rhai enghreifftiau o'r pethau y defnyddiwyd technoleg argraffu 3D ar eu cyfer. Bydd yr adran hon yn ychwanegu at hyn, ond ni fydd yn gynhwysfawr o bell ffordd.

Ym Mhrifysgol Aberystwyth...

Coronafeirws

Mae argraffyddion 3D a'u perchnogion wedi bod yn gweithio'n galed drwy gydol argyfwng y Coronafeirws er mwyn cynorthwyo i gynhyrchu cyflenwadau meddygol. Mae'n debyg mai'r hyn sydd wedi cael y sylw mwyaf yw'r gwaith i gynhyrchu amddiffynwyr wyneb ar gyfer gweithwyr gofal iechyd. Mewn gwirionedd, roedd Prifysgol Aberystwyth yn un o blith llu o sefydliadau, cwmnïau ac unigolion a fu'n rhan o'r ymdrech hon.

Mae'r llun uchod yn dangos amddiffynnydd wyneb gorffenedig sy'n cynnwys tair rhan. Band pen wedi'i argraffu'n 3D yw'r gyntaf (y rhan las), mae'r sgrin wedi'i wneud o fagiau lamineiddio (laminating pouches) wedi'u selio, ac mae'r cyfan yn cael ei ddal yn ei le gan stribed o elastig y gellir ei addasu. Cymerodd y bandiau pen hyn rhwng 2 a 4 awr yr un i'w hargraffu (yn dibynnu ar yr argraffydd).

Dyma ddolen i'r erthygl newyddion lawn ynglŷn â'n hymdrechion.

Roboteg

Mae gan ein Prifysgol nifer o argraffyddion 3D i greu dyluniadau ar gyfer prototeipiau a darnau ar gyfer prosiectau.

Gyda chyllid gan Technocamps, defnyddiodd Clwb Roboteg Aberystwyth yr adnoddau hyn i argraffu ac adeiladu eu robot dynolffurf InMoov eu hunain.

Ers hynny, mae un aelod o'r Clwb Roboteg wedi defnyddio argraffyddion 3D i atgynhyrchu cragen uned Red Dwarf Scutter ar gyfer prosiect personol.

Prosiect Heritage Together

Prosiect cymunedol ac academaidd yw hwn (sy'n cynnwys ymchwilwyr o Brifysgol Aberystwyth) i greu modelau 3D o safleoedd meini hirion archeolegol. Er mai'r prif nod yw cynhyrchu modelau digidol y gall pobl eu harchwilio o'u cartrefi eu hunain, gellir addasu'r ffeiliau yn hawdd i argraffu atgynyrchiadau bach 3D o'r henebion hynafol hyn.

I gael rhagor o wybodaeth am y prosiect hwn gweler gwefan Heritage Together

Enghreifftiau eraill o ddefnyddio Argraffu 3D

Dyma rai enghreifftiau o'r pethau y defnyddir argraffyddion 3D ar eu cyfer ar hyn o bryd. Mae'r rhain yn ychwanegol at y gwaith prototeipio a gweithgynhyrchu cyffredinol. I gael mwy o flas o'r amrywiaeth eang o ddyluniadau ffynhonnell agored, efallai yr hoffech bori trwy rhai o'r cadwrfeydd ar-lein (er enghraifft Thingiverse).

Adeiladu

Mae nifer o brosiectau ledled y byd yn defnyddio argraffyddion sment 3D graddfa fawr i adeiladu tai yn rhatach ac yn gyflymach na thechnegau adeiladu confensiynol.

Gellir cynhyrchu adeiladau bach mewn llai na 24 awr am gost isel yn sgil arbedion o ran deunyddiau ac amser.

Offer Prosthetig

Mae nifer o gwmnïau ac elusennau yn cynhyrchu offer prosthetig gan ddefnyddio technoleg argraffu 3D i gadw'r costau i lawr. Mae'r offer hyn yn fwy ymarferol na rhai safonol y GIG, yn haws i'w newid am rai newydd pan fo angen, a gellir eu cynhyrchu'n gyflymach i gyd-fynd â thwf y plentyn a newidiadau o ran chwaeth/defnydd. Cymerwyd y lluniau isod o wefan Open Bionics, cwmni a ddechreuodd fel un dyn ag argraffydd 3D a'r dyhead i sicrhau bod breichiau prosthetig hwyliog ac ymarferol ar gael yn eang i blant.

Gemau Pen Bwrdd

Ledled y byd, mae amgueddfeydd yn dechrau sganio eu holl gasgliadau mewn 3D. Mae hyn yn ffordd o gadw'r arteffactau yn ddigidol, ond yn ogystal â hyn mae'n golygu bod modd argraffu atgynyrchiadau 3D y gellir eu defnyddio i wneud arddangosfeydd yn fwy hygyrch i bobl â nam ar eu golwg. Mae'r gwrthrychau a geir mewn amgueddfeydd yn tueddu i gael eu cadw y tu ôl i rwystrau neu mewn blychau arddangos, ond gellir trin a thrafod atgynyrchiadau sydd wedi'u hargraffu heb orfod poeni am ddifrodi'r gwrthrych gwreiddiol. Mae hefyd yn golygu bod modd rhannu gwrthrychau rhithwir ar-lein, neu eu hargraffu er mwyn eu harddangos mewn mwy nag un lleoliad ar yr un pryd.

Tabletop Gaming

I gloi'r rhestr, meddyliom y byddai'n hwyl edrych ar y cyfraniad sylweddol y mae technoleg argraffu 3D wedi'i wneud mewn blynyddoedd diweddar ym maes gemau bwrdd a gemau pen bwrdd. Mae cwmnïau fel Kickstarter wedi darparu llwyfan i feddyliau creadigol gyfuno â thechnoleg argraffu 3D, a phartïon sydd â diddordeb er mwyn sicrhau cyllid, i lansio nifer helaeth o brosiectau gan gynnwys amrywiaeth sylweddol o gemau. Mae'r argraffyddion 3D yr ydych yn dueddol o'u gweld yn y cartref a'r ysgol yn unedau bach a chyfyngedig o ran arwynebedd y gwely argraffu. Felly, pan nad ydych yn defnyddio'ch argraffydd i ddyfeisio rhywbeth, neu i helpu i achub y byd, beth am roi cynnig ar argraffu ffigurau a golygfeydd bychain?

Paratoi Modelau 3D i'w Hargraffu

P'un a ydych wedi dylunio model 3D eich hun neu wedi lawrlwytho un o'r llu o gasgliadau ffynhonnell agored sydd ar gael, mae yna nifer o ystyriaethau y bydd angen i chi eu gwneud wrth baratoi i'w argraffu.

Cyngor ar gyfer Argraffu 3D:

Pa ddeunydd fyddwch chi'n ei ddefnyddio?

Mae yna amrywiaeth o blastigau gwahanol y gellir eu defnyddio mewn argraffydd 3D. Dyma restr o'r deunyddiau mwyaf cyffredin sydd ar gael ar hyn o bryd.

• PLA: Y plastig mwyaf cyffredin a ddefnyddir. Dyma'r deunydd rhwyddaf i'w ddefnyddio gydag argraffydd. Mae'n gofyn am dymheredd is na rhai plastigion eraill. Mae hefyd yn rhad, yn ddiraddiadwy ac mae modd ei ailgylchu.
• ABS: Mae hwn angen tymheredd uwch na PLA, ond mae'n cynhyrchu plastigion sy'n gryfach, yn fwy hyblyg ac sy'n gallu gwrthsefyll sioc.
• ASA: Mae hwn yn debyg i ABS ond mae ei allu i wrthsefyll uwch fioled (golau haul) yn uwch. Y brif anfantais yw bod y broses argraffu yn cynhyrchu mygdarthau gwenwynig gyda'r plastig hwn.
• PET: Mae hwn angen y tymheredd isaf oll, mae'n gwbl ailgylchadwy ac mae'n ddiogel ar gyfer bwyd (mae'r teulu hwn o blastigau yn cynnwys y rhai a ddefnyddir i gynhyrchu poteli diod).
• PC (Polycarbonad): Mae hwn angen tymheredd argraffu uchel iawn mewn amgylchedd heb lawer o leithder, ond mae'n cynhyrchu cynnyrch sy'n gallu gwrthsefyll mwy o wres ac sydd hefyd yn gryfach.
• HPP (Polymerau perfformiad uchel): Mae'r rhain angen tymereddau uwch na'r hyn y gall y rhan fwyaf o argraffwyr cartref ei gyflawni. Fodd bynnag, mae'r cynnyrch gorffenedig yr un mor wydn â metelau, ond maent yn ysgafnach o lawer. Mae hyn yn golygu ei fod yn berffaith ar gyfer diwydiannau awyrofod, modurol a meddygol.

A oes unrhyw fargodion (overhangs)?

Un ystyriaeth bwysig wrth ddefnyddio argraffu ychwanegol (additve printing) yw a oes rhannau o'r model yn cynnwys bargodion. Mae gan argraffyddion rywfaint o hyblygrwydd i argraffu bargodion bach, llai onglog, ond ar gyfer unrhyw beth arall bydd angen i chi ystyried defnyddio sgaffaldiau i gynnal y rhannau hyn yn ystod y broses argraffu.

Adlyniad gwelyau argraffu

Mae gwahanol argraffyddion yn dod gyda gwahanol lwyfannau argraffu (gelwir y rhain yn welyau). Gall y deunydd y gwnaed y gwely ohono effeithio ar allu plastig i lynu wrtho ac i aros yn ei le yn ystod y broses argraffu. Mae'n debyg y bydd angen i chi wneud ambell argraffiad prawf i gadarnhau a yw ffon lud safonol yn ddigon i gadw'r model yn ei le, neu a fydd angen i chi ychwanegu rhywbeth arall. Mae rhai pobl yn defnyddio chwistrell gwallt yn hytrach na ffon lud, a byddai eraill (gan gynnwys awdur y dudalen hon) yn argymell defnyddio tâp masgio. Bydd y rhan fwyaf o raglenni meddalwedd ar gyfer paratoi eich argraffiad 3D yn cynnwys adnodd 'raft' a/neu 'brim' sydd hefyd yn gallu cynorthwyo ag adlyniad.

Sgaffaldiau

Os yw eich argraffiad yn cynnwys bargodion (gweler yr adran uchod) na ellir eu hosgoi trwy droi'r model ar y gwely argraffu, bydd angen i chi ystyried defnyddio adnodd sgaffaldiau. Mae'r rhain yn amrywio yn ôl y feddalwedd yr ydych yn ei defnyddio a faint o wastraff (deunydd ac amser) a glanhau yr ydych yn fodlon ei wneud ar ôl gorffen.

Maint a chydraniad

Pan ddaw i faint yr argraffiad mae rhai cyfyngiadau amlwg - pa mor fawr yw'r gwely argraffu a faint o amser sydd gen i? Yn y bôn, po fwyaf yw'r argraffiad y mwyaf o amser y bydd yn ei gymryd. Hefyd, bydd angen i chi ystyried graddfa'r model (hynny yw, ar ba faint y cafodd ei gynllunio yn wreiddiol ac a yw'n graddio i fyny/i lawr yn gywir). Mae'r cydraniad yn cyfeirio at uchder pob haen sy'n cael ei hargraffu. Po deneuaf yw'r haenau, y gorau fydd ansawdd yr argraffiad. Ar gyfer manylion manwl bydd y rhan fwyaf o raglenni meddalwedd yn argymell haenau o dua 0.1mm, sef 10 haen am bob milimedr o'r model! Felly, y gorau yw'r ansawdd, yr hiraf fydd yr amser argraffu.

Efallai y sylwch hefyd yn y gymhariaeth uchod bod y lled allwthio hefyd yn ffactor. Mae hyn yn cyfeirio at faint y ffroenell sy'n cael ei defnyddio gan yr argraffydd. Mae'r rhan fwyaf o fodelau yn caniatáu i chi newid y ffroenell, cyn belled â'ch bod yn gwneud y newidiadau cyfatebol yn eich meddalwedd hefyd.

Gofynion amser

Mae argraffu 3D yn y cartref neu yn yr ysgol yn broses araf os ydych am sicrhau gwaith o ansawdd uchel. Bydd y rhan fwyaf o raglenni meddalwedd ar gyfer trosi dyluniadau i'w hargraffu yn rhoi amcangyfrif o'r amserau argraffu i chi. Bydd angen i chi hefyd gynnwys yr amserau cynhesu ac oeri. Mae'r prif gwestiynau'n ymwneud â'ch hyder yn nibynadwyedd yr argraffydd a'r materion diogelwch o'i adael yn rhedeg heb oruchwyliaeth. Gall argraffu darnau mawr ar unedau cartref gymryd dyddiau i'w cwblhau

Cryfder/hyblygrwydd

Ystyrir diben y model yn gyntaf wrth edrych ar ba ddeunydd i'w ddefnyddio. Mae angen i ni gadw hyn mewn cof hefyd wrth benderfynu sut i lenwi'r model - hynny yw faint o blastig sydd y tu mewn i'r argraffiad. Po leiaf o lenwad, y gwannaf fydd y gwrthrych, ond bydd yr amser argraffu yn gyflymach. Ar y llaw arall, bydd mewnlenwad solet yn cymryd llawer mwy o amser ac y gwneud y model yn llai hyblyg. Gweler isod i gael syniad o'r gwahanol opsiynau mewn-lenwi sydd ar gael.

A brief History of 3D Printing

• It might surprise you to know that the first account of 3D printing technology was in 1981.
• In 1984, stereolithography was invented. This is the ability to use digital data to create 3D models. This is where the file ending .stl comes from for 3D models.
• The first versions of 3D printers in manufacturing used a vat of liquid photopolymer (a plastic that reacts to light) which used targeted UV laser beams to solidify the plastic in a specified shape.



This is a completed 3D model being retrieved from a liquid photopolymer
Image from UV+EB Technology

• 1992: two different types of 3D printing technology appeared
• SLA (stereolithographic apparatus): Printing a model layer by layer
• SLS (selective laser sintering): Using the laser technology with a powdered plastic instead of liquid
• The first 3D-printed human organ was successfully implanted in 1999 (it was a bladder)
• In the next ten years medical 3D printing expanded to include functional kidneys, complex prosthetic legs and even blood vessels (using only human cells - this is called bioprinting)



A human ear produced using 3D bioprinting technology
Image from 3D Natives

• The first commercially available 3D printer was an SLS machine in 2006
• 2008: First self-replicating 3D printer available through open-sourcing
• Since then, 3D printers have become more affordable and readily available for homes, schools and businesses. The most common materials used in these are plastics, however specialised printers can work in a variety of other mediums. These include biomaterials, metals and even chocolate.

A 3D printer designed for chocolate
Image from 3Ders.org

Subtractive Vs Additive Model Making

There are two different types of manufacturing when creating 3D models, they are called additive and subtractive methods

Additive:

This is the production of an item by adding material. So, with 3d models it tends to involve adding layers of material until the model is complete. This means less wastage, but slower production time.

Subtractive:

This form of production involves the removal of material. For 3D models this can invove cutting them out from a larger piece of material using routers or lasers. This means increased wastage in exchange for faster production.

Uses of 3D printers

We've already touched on a few examples of things 3D printing technology has been used for, this section will add to this, but will by no means be definitive.

At Aberystwyth University...

Coronavirus

3D printers and their owners have been working hard throughout the Coronavirus crisis to assist in the production of medical supplies. Probably the most reported usage has been the production of face shields for healthcare workers. In fact, Aberystwyth University was one of many institutions, companies and individuals involved in this effort.

The above shows a completed face shield made up of three parts. The first is a 3D printed headband (the blue section), the screen is then made from sealed lamiating pouches, and the whole thing is held in place by an adjustable strip of elastic. These headbands took between 2 and 4 hours each to print (dependant on the printer).

Here is the link to the full news article about our efforts.

Robotics

Our University has several 3D printers to produce designs for prototypes and parts for projects.

With funding from Technocamps, the Aberystwyth Robotics Club used these facilities to print and build their own InMoov humanoid robot.

One Robotics Club member has since used 3D printers to reproduce the shell of a Red Dwarf Scutter Unit for their personal project.

Heritage Together Project

This is a coummunity and academic project (including researchers from Aberystwyth University) to produce 3d models of archaeological standing stone sites. Although the main aim is to produce digital models for people to explore from the comfort of their own home, the files are easily adapted for 3D printing miniature replicas of these ancient monuments.

For more information on this project visit the Heritage Together website

Examples of Other Uses

Below are just a few examples of what 3D printers are currently being used for. These are on top of general prototyping and manufacturing uses. For more of a taste of the wide variety of open-source designs, you may wish to browse some of the online repositories (for example Thingiverse).

Building

There are a number of projects across the globe to use large scale 3D cement printers to make cheap housing solutions at a faster rate than conventional building techniques.

Small properties can be produced in less than 24 hours at a cheap rate due to materials and time saved.

Prosthetic Limbs

There are a number of companies and charities that produce prosthetics using 3D printing technology to keep the costs down. These limbs are more functional than standard NHS limbs, easier to replace with a faster production time to match a child's growth and changes in taste/usage. Below is an image taken from the Open Bionics Webpage, a company that started as one man with a 3D printer and a mission to make prospthetic arms for kids more fun, functional and readily available.

Museums

Around the world, museums are starting to 3d scan all their collections. Not only is this a way of preserving the artefacts digitally, but it allows 3D printing of replicas that can be used to increase the accessibility of exhibits to people with visual impairments. Objects found in museums tend to be behind barriers or in cases, printed replicas can be handled and examined close-up without having to worry about damaging the original item. It also means exhibits can be shared virtually online, or printed to display in multiple locations at the same time.

Tabletop Gaming

We thought we'd end this list with a fun entry for the boost 3D printing technology has given in recent years to board and tabletop games. Companies like Kickstarter have provided a platform for creative minds to combine with 3D printing technology and interested parties for funding, to launch huge numbers of projects including a large variety of games. The 3d printers you tend to find in home and school are small units with limited print-bed space. So, when you're not using your printer to invent something, or to help save the world, why not enjoy printing miniature figures and scenery?

Preparing 3D Models for Printing

Whether you've designed a 3D model yourself or downloaded one from any number of open-source collections, there are a number of considerations you need to make when it comes to preparing it for printing.

Tips for 3D printing:

What material will you use?

There are a range of different plastics that can be used in a 3D printer. Below is a list of the most readily available materials at time of writing.

• PLA: The most common plastic used. This is the easiest material to set a printer up for. It requires lower temperatures than some plastics. It is also cheap, degradable and can be recycled.
• ABS: This requires a hotter temperature to print with than PLA but produces plastics that are stronger, more flexible and shock resistant.
• ASA: This is similar to ABs except it has a greater resistance to UV (sunlight). The major disadvantage is that the printing process produces toxic fumes with this plastic.
• PET: This requires the lowest temperature of all, is fully recyclable and food safe (this family of plastics includes those used to manufacture drinks bottles)
• PC (PolyCarbonate): This needs very high printing temperatures in a very low humidity environment, but produces a product that has a higher heat resistance and strength.
• HPPs (High Performance Polymers): These require temperatures most home models are unable to achieve. However, the finished products are on a par with metals for their resistances whilst being much lighter in weight. This makes it perfect for aerospace, automotive and medical industries.

Are there any overhangs?

One major consideration when using additive printing is whether there are overhanging sections of the model. Printers have some flexibility for printing smaller less angled overhangs, but for anything else you will need to consider the use of scaffolding to support these sections during the printing process

Bed adhesion

Different printers come with different printing platforms (called beds). The material it is made from can affect the ability of a plastic to stick to it and stay in place during the printing process. You will probably need to trial a few test prints to establish whether a standard glue stick is enough to keep the model in place or whether you will need to add something else. Some people use hairspray instead of a glue stick, whilst others (including the author of this page) would advise trying masking tape. Most software for setting up your 3d print will include a raft and/or brim function which can also aid in adhesion.

Scaffolding

If your print does have overhangs (see above section) that cannot be avoided by rotation of the model on the print bed, then you will need to consider applying a scaffolding function. These vary according to the software you are using and how much wastage (material and time) and clean-up you are willing to deal with afterwards.

Size and resolution

When it comes to the size of the print there are some obvious restrictions - how large is the print bed and how long do I have? Basically, the larger the print the longer it will take. You also need to consider the scaling of the model (in otherwords at what size was it initially designed for and does it scale up/down accurately). The resolution refers to the height of each layer being printed. The thinner the layers, the better the print quality. For fine detail most software will advise about 0.1mm layers, that's 10 layers per millimetre of the model! SO the better the quality, the longer the print time.

You may also notice in the above comparison that the extrusion width was also a factor. This is referring to the size of the nozzle being used by the printer. Most models have the ability to change the nozzle attachment, as long as you make the changes in your software too.

Time requirements

3D printing at home or in school is a slow process if you want high quality results. Most software for converting designs for printing, will give you an estimated print time. You also need to include heat-up and cool-down times. The main questions are regarding your confidence in the printer's reliability and the safety issues of leaving it running unsupervised. Large prints on home units can take days to complete.

Strength/flexibility

The purpose of the model is initially considered when looking at what material to use. We also need to keep it in mind when determining the in-fill of the model. That is how much plastic is inside the print. The less filling, the weaker the object but the faster the print time. On the other hand, a solid in-fill will take much longer and reduce flexibility of the model. See below for an idea of different in-fill options.