Podstawy druku 3D – cz.1

Podstawy druku 3D – część 1.

Czy oglądałeś film ?Star Trek? nakręcony kilka dekad temu? W tym filmie można było zobaczyć proces drukowania 3D, który wyglądał niczym proces iluzjonisty wytwarzającego na zawołanie przedmioty. Dziś drukarkę może mieć prawie każdy, bez względu na to, czy ją zakupi gotową do pracy, czy może zbuduje sam. Technologia druku przestrzennego zaczyna wkraczać do prawie każdej dziedziny życia, a sposób jego wykorzystania w coraz większym stopniu zaczyna ograniczać jedynie wyobraźnia użytkowników. Niedawno nawet NASA wysłała drukarkę 3D w kosmos, była drukarka drukująca filamentem. Wiele osób myśli, że to bardzo nowatorska technologia, jednak nic bardziej mylnego. Ale o tym za chwilę.

Czym jest proces drukowania przestrzennego (z ang. 3D printing)? Od zawsze znane są nam procesy technologiczne oparta o obróbkę rozmaitych materiałów w celu uzyskania gotowego elementu. Ma ona na celu pozbycie się nadmiaru materiału, generując w efekcie kłopotliwe odpady. Wyobraźmy sobie sześcian drewna, potrzebujemy wyciąć z niego misę, maszyna frezująca usunie nadmiar materiału aż do uzyskania misy, straty materiału (odpady) mogą nawet wynieść 60%. Teraz proszę wyobrazić sobie rzeźbiarza, który z gliny ulepi misę, straty materiału będą znikome, ponieważ rzeźbiarz wyklei misę z długiego wałka gliny. Dokładnie tak samo działają drukarki, od razu wytwarzają końcowy model, bez gromadzenia niemal żadnych zbędnych odpadów, w procesie nakładania kolejnych warstw materiału w miejscach ścianek, odwzorowując wcześniej przygotowany wirtualny, komputerowy model. Na rynku istnieje wiele technologii druku, te domowe najczęściej układają cienkie warstwy roztopionego plastiku.

Historia drukarki 3D

Za datę narodzin technologii druku 3D i pierwszej drukarki należy uznać rok 1984, wtedy to Charles Hull pierwszy raz opisał proces powstawania wydruku przestrzennego. Dwa lata później opatentował go, pod nazwą stereolitografia (SLA). W tym samym roku założył firmę 3D Systems, która istnieje i buduje drukarki po dzień dzisiejszy.

Jako ciekawostkę warto przypomnieć, co było przedmiotem pierwszego wydruku 3D. Podobno chodziło o? kubek podarowany żonie., ale to tylko legenda. Celem  stworzenia technologii były oszczędności i skrócenie czasu przygotowania prototypów nowych elementów lub przedmiotów. W latach 80?ych średni czas wykonania prototypu  wynosił ok. 6-8 tygodni. Po wprowadzeniu druku przestrzennego okres ten zmalał do kilkunastu godzin. W tamtych czasach był to przełom na miarę lotu w kosmos.

Kolejne lata to okres opracowywania innych technologi i metod druku 3D. Przykładem może by Scott Crump, który założył firmę Stratasys, zaprezentował metodę FDM, czyli osadzanie topionego materiału. Prawie w tym samym czasie patent na technologię zwaną SLS (selektywne spiekanie laserowe) zgłosił z kolei Dr. Carl Deckard. Technika ta jest o wiele dokładniejsza od FDM, daje też większe możliwości ? niestety, do dziś z racji ceny pozostaje praktycznie niedostępna dla przeciętnych użytkowników. Najtańsza drukarka produkowana w Polsce zamyka się w cenie ponad 60 tys. zł, przy komorze wydruku 15x15x20 cm, to nadal sporo jak na sprzęt domowy.

Prawdziwy przełom i bum drukarkowy rozpoczął się jednak dopiero w 2006 r., gdy Adrian Bowyer w ramach projektu RepRap zbudował pierwszy prototyp domowej drukarki 3D opartej o technologię FDM. Ktoś spyta dlaczego tak późno? Odpowiedź jest bardzo prosta ponieważ w tym roku wygasły patenty na druk w technologii FDM. Projektowane urządzenie Bowyera z założenia miało być sprzętem domowym i służyć do budowy? kolejnych drukarek. Tak, tak ? głównym celem projektu RepRap było zbudowanie urządzenia, które miało się samo powielać. Co prawda nie udało się to w 100%, jednak projekt przyczynił się do popularyzacji druku przestrzennego. Został udostępniony jako otwarty i posłużył przyszłym konstruktorom do tworzenia kolejnych modeli domowych drukarek a drukarki pozwoliły projektować inne ciekawe i zaawansowane drukarki 3D.

Do czego mogę użyć drukarki 3D?

To podstawowe pytanie, które zadaje sobie każdy amator ?druku przestrzennego?. Odpowiedzi jest bardzo dużo. Przede wszystkim posiadanie drukarki daje właścicielowi poczucie wolności twórczej, szansę realizacji marzeń i zwariowanych pomysłów bez konieczności posiadania wyspecjalizowanej linii technologicznej, tworzenia form i całego procesu odlewania lub wytłaczania. Drukarka 3D pozwala na  personalizację dowolnego produktu oraz tworzeniu bardzo wyrafinowanych kształtów, praktycznie niemożliwych do realizacji przy pomocy np. wtryskarek. Warto wspomnieć o oszczędności czasu i materiału. W procesie wydruku zużywa się bowiem dokładnie tyle filamentu, ile jest niezbędne do odwzorowania kształtu drukowanego obiektu, co ma znaczenie szczególnie przy produkcjach niskoseryjnych, poniżej 500 szt.

Natomiast posiadanie drukarki 3D w domu zmienia też postrzeganie kwestii napraw, przykładem może być urwana gałka w szafie, w pokoju syna. Zakup zamiennika bywa wtedy utrudniony, bo powstaje on w ramach specjalnej serii, przeznaczonej tylko dla producenta mebli. Tymczasem przy wykorzy­staniu technologii druku 3D wystarczy kwadrans na utworzenie wirtualnego modelu, następnie ok. pół godziny na wydruk, a później jeszcze tylko montaż i problem rozwiązany! Oczywiście można zaprojektować wszystkie gałki od nowa, w dowolnym kolorze i zmienić cały wygląd mebli ? podobno diabeł tkwi w szczegółach. Sam kiedyś miałem problem z zaworem odprowadzającym wodę z pralki, który był plastikowy i się ukruszył, zamiennik kosztował (wraz z przymusowym montażem) prawie 1/3 ceny nowej, projekt, wydruk i montaż zajął mi całą sobotę ale koszt zamknął się  w kilkunastu zł. Takie historie i przykłady można mnożyć. Na koniec należy pamiętać, że większość ludzi ma potrzebę tworzenia, a druk przestrzenny pozwala im tę potrzebę zrealizować.

Przegląd technologii Druku 3D

Dzisiejszy rynek to cała gama rozwiązań, niektóre z nich, z racji ceny (zarówno urządzeń jak i materiałów eksploatacyjnych) są dostępne jedynie dla dużego biznesu. Głośno jest o projektach mających na celu obniżenie kosztów tych rozwiązań, by dały się stosować przez szersze grono użytkowników, jednak dużo jeszcze czasu upłynie, nim te drukarki będą dostępne dla przeciętnego zjadacza chleba, jednak warto wiedzieć już dziś, jakie technologie druku 3D są obecne na rynku.

SLA

Zaczynając od początku, należy przyjrzeć się pionierskiej w latach 80. ubiegłego wieku technologii ?stereolitografii?, często przedstawianej skrótem SLA. Bazuje ona na wytwarzaniu modeli 3D przy użyciu wiązki UV (ultrafioletu, promieniowania elektromagnetycznego o długo­ści fali od 10 do 400 nm, wchodzącego w skład światła), która naświetlając ciekły materiał foto­polimerowy (specjalna żywica twardniejąca pod wpływem promieni UV) tworzy poszczególne warstwy drukowanego obiektu. Wydruki są do­kładne i precyzyjne, jednak wymagają używania sporej ilości podpór wzmacniających. Obecnie powstają nowe modele drukarek SLA, wykorzy­stujące projektor do naświetlania całych warstw jednocześnie, co przyspiesza proces drukowania. Niestety, ta technologia ma sporo wad, głównie wynikających z właściwości materiału fotopoli­merowego i jego bardzo wysokiej ceny. Dodatkowo żywica jest toksyczna, więc wydruk musi przejść cały szereg kąpieli, zanim możliwe staje się dotknię­cie go bez rękawic ochronnych.

SLS

Selective Laser Sintering, czyli selektywne spiekanie laserowe, polega na tworzeniu modeli 3D z warstw sproszkowanego materiału polime­rycznego zespalanego przy użycia lasera. Typowa drukarka oprócz komory roboczej ma tu komorę z sypkim materiałem, który po utwardzeniu warstwy jest nanoszony i ponownie utwardzany (spiekany) laserem. Wszystkie puste przestrzenie w projekcie są wypełniane sypkim materiałem, usuwanym po zakończeniu drukowania. Takie zawieszenie przedmiotu w proszku niweluje pro­blemy występujące w innych metodach ? w tym SLA i FDM (patrz: niżej), w których elementy tworzonych przedmiotów nie mogą wisieć w po­wietrzu i wymagają drukowania dla nich podpór.

DMP

Direct Metal Printing to metoda podobna do SLS, z tą istotną różnicą, że polimer jest zastępowany sproszkowanym metalem. Poprzez spiekanie drobnego proszku za pomocą wiązki laserowej warstwa po warstwie, można uzyskać przedmioty z litego metalu.

CJP

ColorJet Printing polega na tworzenia modeli poprzez selektywne zespalanie mate­riału proszkowego za pomocą strumieniowo dozowanej cieczy zespalającej. Zaletami tej technologii są: krótki czas budowy przedmiotów (2-4 cm wysokości/godz.) oraz możliwość druku egzemplarzy wielobarwnych. Przedmiot tworzy się warstwowo, poprzez zespalanie materiału proszkowo, za pomocą specjalnego, kolorowe­go lepiszcza. Elementem dozującym ciecz jest głowica drukująca, przypominająca budową standardową głowicę drukarek atramentowych. Proces nakładania i zespalania poszczególnych warstw powtarza się do momentu ukończenia budowy całego modelu.

MJM

MultiJetModeling polega na budowie mode­li metodą przyrostową. Materiał fotoutwardzalny jest podawany przez specjalną głowicę na tacę roboczą, a następnie automatycznie utwardzany za pomocą lampy UV. Każda warstwa materiału jest precyzyjnie dozowana przez dysze druku­jące. Urządzenie dla elementów zawieszonych w przestrzeni buduje woskowe podpory, które są automatycznie wytapiane po zakończeniu procesu druku. Głównymi zaletami tej technolo­gii są: najwyższa precyzja odwzorowania detali oraz wyjątkowo gładka powierzchnia tworzonych przedmiotów, okupiona co prawda długim cza­sem drukowania i wysoką ceną.

FDM

Fused Deposition Modeling (lub FFF ? Fused Filament Fabrication), czyli warstwowe osadzanie stopionego materiału. Metoda polega na modelowaniu ciekłym materiałem termopla­stycznym, najczęściej tworzywem sztucznym. Materiał jest nanoszony przez dyszę rozgrzaną do temperatury topnienia używanego mate­riału. Praca dyszy (w tym jej przemieszczanie się w osiach X/Y/Z oraz kontrola nad ilością wypływającego materiału) sterowana jest in­strukcjami zapisanymi w pliku *.STL a następnie *.gcode. Technologia FDM wykorzystuje całą gamę materiałów różniących się wytrzymałością i temperaturą topnienia. Typowa drukarka FDM korzysta z masy plastycznej (filamentu) w postaci cienkiego drutu o średnicy 3 mm lub 1,75 mm, roztapianego w dyszy i ?wypluwanego? jako cien­ki pasek o szerokości odpowiadającej średnicy dyszy oraz grubości odpowiadającej mniej więcej szerokości szczeliny pomiędzy dyszą a stołem lub warstwą wydruku. Zaletą tej technologii jest możliwość uzyskania gotowego modelu bez dodatkowych prac wykańczających.

W chwili obecnej FDM pozostaje najtańszą i najbezpieczniejszą tech­nologią, dlatego rozwija się ona najszybciej i trafia pod ?strzechy?. Koszt drukarki powoli staje się akceptowalny dla średniozamożnego ?Kowalskiego? (dość bogato wyposażony model w zestawie KIT można nabyć już za ok. 2 tys. zł.), za typowy materiał PLA zapłacimy ok. 100 zł/1 kg, za materiały specjalnego przeznaczenia ok. 150 zł/0,5 kg, natomiast oprogramowanie do użytku domowego jest najczęściej darmowe.

  1. Proces wydruku w technologii SLA

 

  1. Proces wydruku w technologii SLS

  1. Proces wydruku w technologii CJP

  1. Proces wydruku w technologii MJM

  1. Proces wydruku w technologii FDM (FFF)

 

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.


*