TECHNOLOGIE DRUKU 3D, PRZEGLĄD

 

 

Drukowanie przestrzenne (z ang. 3D printing), technika przyrostowa (z ang. additive manufacturing) czy po prostu druk 3D -  początkowo była to jedynie jedna z metod szybkiego prototypowania służąca do tworzenia form i samych prototypów. Od czasu uwolnienia patentów technologia FDM lub FFF (Fused Deposition Modeling or Fused Filament Fabrication) zanotowała olbrzymi rozwój choć przez "ojców druku 3D" została uznana za nierozwojową. Wraz z postępami dokładności wydrukowania obiektów stała się także metodą tworzenia gotowych elementów. Fakt, że drukowanie 3D jest techniką addytywną daje możliwość wytworzenia modeli trójwymiarowych niemożliwych do wykonania tradycyjnymi metodami. Niektórzy w swoim twierdzeniu posuwają się dalej twierdząc, że wszystko co narysujemy możemy wykonać technologią FDM.

Główne różnice między procesami technologicznymi druku 3D polegają na sposobie nanoszenia warstw oraz na zastosowanym materiale do tworzenia produktu. 
 


STOSOWANE  MATERIAŁY  W  ZALEŻNOŚCI  OD  technologii  druku 3D


TYP TECHNOLOGIA MATERIAŁY
Fotopolimeryzacja - utwardzanie światłem (Light polymerized) Stereolithography (SLA) Fotopolimery
Digital Light Processing (DLP) Fotopolimery
Wytłaczanie roztopionego materiału (Extrusion) Fused deposition modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF) Tworzyw termoplastyczne, łatwo topliwe metale, materiały spożywcze, guma, glina, plastelina, glinki jubilerskie
Robocasting or Direct Ink Writing (DIW) Materiały ceramiczne, stopy metali, mieszanki ceramiczno-metalowe, kompozyty ceramiczne, kompozyty metali
Spiekanie proszków (Powder Bed) Powder bed and inkjet head 3D printing (3DP) Prawie wszystkie stopy metali, sproszkowane polimery, gips
Electron-beam melting (EBM) Prawie wszystkie stopy metali łącznie ze stopami tytanu
Selective laser melting (SLM) Stopy tytanu, stopy chromowo-kobaltowe, stal nierdzewna, aluminium
Selective heat sintering (SHS) Proszki tworzyw termoplastycznych
Selective laser sintering (SLS) Tworzywa termoplastyczne, proszki metal, proszki ceramiczne
Direct metal laser sintering (DMLS) Prawie wszystkie stopy metali
Kształtowanie wiązką elektronów (Wire) Electron beam freeform fabrication (EBF3) Prawie wszystkie stopy metali
Laminowanie - wycinanie i sklejanie cienkich warstw (Laminated) Laminated object manufacturing (LOM) Papier, folie metalowe, folie plastikowe
źródło

 

OPIS  TECHNOLOGII  FDM, FFF

 
Wytłaczanie roztopionego materiału znane jako FDM lub FFF (Fused deposition modeling or Fused Filament Fabrication) polega na budowaniu modelu za pomocą roztopionego materiału nakładanego warstwami jedna na drugą. Materiałem budulcowym jest filament czyli tworzywo sztuczne podawane do głowicy grzejącej w postaci tzw. drutu nawiniętego na szpule.
Tworzywa sztuczne stosowane w tej technologii druku 3D to przede wszystkim PLA, ABS, PA, TU, HIPS, PET, PVA, itp. W celu znacznego zwiększenia właściwości wytrzymałościowych tworzy się kompozyty np.: z włóknem szklanym czy grafenem. Czasami podstawowy składnik filamentu wzbogacany jest drobinkami metali, piasku czy drewna imitując w ten sposób złoto, srebro, brąz, miedź, drewno czy piaskowiec. Czasami w celu zwiększenia efektów estetycznych stosuje się dodatkowe techniki wykańczające takie jak piaskowanie czy lakierowanie wydruku. Niektórzy producenci filamentów stosują własne nazwy handlowe dotyczy to zwłaszcza filamentów z kompozytów takich jak Laybrick, Laystone, Laywood, NinjaFlex, itd. Standardowo stosowane są dwie średnice filamentów 1,75 mm i 3 mm. Tworzywa sztuczne o większej średnicy zazwyczaj stosowane są do wielkogabarytowych, szybkich wydruków.
Niekiedy tworzone modele wymagają użycia materiału podporowego (z ang. support), który tworzony jest z tego samego materiału co właściwy model, bądź z innego łatwego do usunięcia w kąpieli wodnej czy w de-limonene. Wydruk podpór z innego tworzywa możliwy jest przy druku z dwóch filamentów jednocześnie. Na rynku są już dostępne drukarki 3D oferujące taką możliwość.

 

JAKĄ  WYBRAĆ  TECHNOLOGIĘ  DRUKU 3D

 

Jeśli znamy zastosowanie naszego modelu, łatwo możemy określić z jakiego materiału powinien zostać wykonany i na tej podstawie możemy dokonać wyboru technologii druku 3D. Jest to jedno z podstawowych kryteriów stosowanych przy jej wyborze. Należy odpowiedzieć sobie na pytanie czy model ma:

  • posiadać właściwości fizyczne i mechaniczne zbliżone lub nawet identyczne z parametrami docelowego objektu?
  • zapewnić jedynie odwzorowanie cech funkcjonalnych?
  • podlegać dalszej obróbce mechanicznej lub chemicznej?

I tak, gdy najważniejszym aspektem jest gładkość powierzchni, a przedmiot nie będzie poddawany zabiegom mechanicznym dobrym rozwiązaniem są technologie fotopolimeryzacji czy spiekania proszków polimerowych i tworzyw termoplastycznych. Jeśli zależy nam na dużej gładkości powierzchni i maksymalnej wytrzymałości mechanicznej najlepszym rozwiązaniem może być technologia spiekania proszków metali, czasami proszków ceramicznych. Należy tylko mieć na uwadze, że wymienione technologie nie są tanie, a nieraz niedostępne dla przeciętnej firmy. Alternatywą może być technologia FDM, która czasami wymaga pójścia na kompromis. Technologia ta jest ekonomiczniejsza od pozostałych, posiada mniejszy zakres tolerancji wymiarowej, wizualnie dość charakterystyczna - widoczne warstwy nakładanego materiału.

 

JAKĄ  WYBRAĆ  DRUKARKĘ 3D

 

Jeśli wiemy z jakiego materiału chcemy wykonać przedmiot i mamy wybraną technologię druku 3D pozostaje nam już tylko wybrać odpowiednie urządzenie. O ile w przypadku technologii fotopolimeryzacji czy spiekania proszków nie jest to trudne, o tyle w technologii wytłaczania mamy dostęp do ogromnej liczby drukarek 3D.

Jak sobie z tym poradzić?

Zakładając, że mamy już ustalony obszar wydruku drukarki 3D, wiemy z jakich materiałów powinna drukować i czy podpory powinny być tworzone z innego materiału niż docelowy przedmiot (dwugłowicowa) czy z tego samego (jednogłowicowa). Teraz określmy wystarczającą dla nas dokładność wydrukowanych przedmiotów, gdyż ta cecha jest jednym z elementów wpływających na cenę urządzeń. Mówiąc o dokładności czy precyzji poruszamy dwa zagadnienia:

  • pierwsze, z punktu widzenia samego urządzenia czyli precyzji ruchu głowicy. Oznacza to, że jeśli głowica ma dojechać do punktu (x,y) to zrobi to z tolerancją ± np. 20 mikronów. Najczęściej podawaną przez producentów wartością jest liczba z przedziału 12 - 40 mikronów;
  • drugie, właściwe z punktu widzenia użytkownika czyli dokładność wymiarowa wydrukowanego przedmiotu. Aktualnie drukarki FDM osiągają tolerancję wymiarową na poziomie od ok. milimetra (wydruki wielkogabarytowe) do pojedynczych setnych części milimetra. Na dokładność wymiarową wydrukowanego elementu ma wpływ precyzja ruchu głowicy oraz oprogramowanie generujące g-code dla drukarki 3D.
Nie wszyscy producenci podają dokładność wymiarową wydruków zatem najlepiej jest samodzielnie sprawdzić tolerancje wymiarowe przesyłając plik do wydruku.
 
Kolejnym tematem jest sposób komunikacji z drukarką 3D. Istnieją dwie metody dostarczenia pliku do maszyny. Zapisanie na karcie pamięci (najczęściej SD) lub na bieżąco za pomocą komputera (USB, Wi-Fi). Pamiętajmy tylko o tym, że przesyłanie pliku bezpośrednio z komputera wymaga ciągłego połączenia tych urządzeń. Ma to duże znaczenie przy wydrukach wielogodzinnych, gdyż jakiekolwiek przerwanie połączenia (np.: automatyczna aktualizacja oprogramowania komputera, chwilowy brak zasilania, przerwa w połączeniu Wi-Fi, itp.) powoduje zatrzymanie wydruku.
 
Jeśli wykonujemy elementy o cienkich ściankach lub o drobnych, precyzyjnych elementach należałoby rozważyć drukarkę 3D z wymiennymi głowicami (dysze o różnych średnicach, najlepiej od 0,2 - 0,25 mm). Na rynku zazwyczaj oferowane są urządzenia z dyszą 0,4 mm. Jest to uniwersalna średnica dyszy, gdyż większość drukowanych przedmiotów nie wymaga grubości ścianki mniejszej niż 0,4 mm, czy ostrych kątów pochylenia drobnych ścianek (np. gwintów drukowanych bez podpór). Więcej na temat precyzyjnego druku 3D można przeczytać w Zasady druku 3D, punkt 1 i 2.
 
Bogactwo filamentów oferowanych przez producentów tworzyw sztucznych przyczynia się do rozwoju zastosowania druku 3D - specjalistyczne filamenty o dobrych właściwościach mechanicznych oraz obróbki; filamenty z odpowiednimi atestami ognioodporności czy dopuszczenia do kontaktu z żywnością; tworzywa sztuczne do tej pory przeznaczone do formowania wtryskowego (PP, PA). Wybierając drukarkę 3D warto zastanowić się czy chcemy drukować z filamentów dedykowanych do konkretnej maszyny, czy ogólnodostępnych (bogaty wybór, niższa cena).
 
Ostatnim zagadnieniem jest oprogramowanie do konwersji modelu 3D na kod wykonawczy (g-code) drukarki 3D potocznie zwany slajserem. Jest to kolejny istotny element wpływający na dokładność wymiarową wydruków 3D. Na rynku oferowane są drukarki z: dedykowanym oprogramowaniem, z oprogramowaniem typu open source (Cura, Repetier Host, Slic3r, itp.) lub z licencjonowanym profesjonalnym oprogramowaniem. Dedykowane oprogramowania są przystosowane wyłącznie pod dedykowane filamenty co oznacza, że użytkownik nie ma żadnego wpływu na dokładność wymiarową wydruków. Programy open source dają dużą swobodę w ustawieniach parametrów, ale ze względu na ich otwartą budowę należy się liczyć z możliwością wystąpienia nieprzewidzianych dziwnych działań. Oprogramowania licencjonowane tworzone przez wyspecjalizowane firmy zazwyczaj posiadają większą funkcjonalność dając dodatkowe, praktyczne możliwości przygotowania modelu np. można przypisać różne parametry wydruku wypełnienie, grubość warstwy dla wybranych fragmentów modelu, można odejmować i dodawać podpory, itp. 
 
Na co jeszcze warto zwrócić uwagę?
 
Jakiej produkcji jest drukarka i gdzie znajduje się serwis?
Zdarza się, że kupując urządzenia zagranicznych producentów serwis znajduje się w kraju pochodzenia lub w kraju produkcji. Jeśli serwis znajduje się poza granicami kraju musimy liczyć się z wydłużonym czasem usługi serwisowej. Przy druku tą samą głowicą z różnych materiałów, gdzie różnica temperatur ekstruzji wynosi powyżej 30 º C (np.: PLA i ABS, PET i ABS, itp.) prędzej czy później dojdzie do zatkania głowicy więc, gdy zawiodą metody zalecane przez producenta (najczęściej podniesienie temperatury głowicy czy czyszczenie odpowiednim filamentem czyszczącym) drukarka będzie wymagała wysłania do serwisu.
Wsparcie techniczne – marki działające na światowych rynkach najczęściej udostępniają wsparcie techniczne na zasadzie logowanego dostępu do odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania. Warto jest sprawdzić czas reakcji na zgłoszenia lub zasięgnąć opinii innych użytkowników.
Czasami znajdziemy się w sytuacji, która będzie wymagała kontaktu posprzedażowego – zastanówmy się czy po drugiej za jakiś czas możemy liczyć na wsparcie i pomoc.
 

 

OGRANICZENIA  DRUKU 3D

 

Dla większości technik druku przestrzennego ograniczeniem są zamknięte przestrzenie z pustym wnętrzem, pewnym wyjątkiem jest technika FDM.