Mimo że historia druku przestrzennego 3D sięga lat 80. poprzedniego wieku, to dopiero ostatnie kilka lat sprawiło, że ta technologia zyskała sporą popularność i zastosowalność w procesach produkcyjnych. Jedno jest pewne - drukowanie przestrzenne rozpoczęło nową erę w wielu fabrykach, a nawet mówi się, że wypiera inne popularne metody formowania wtryskowego, wycinania czy frezowania. Drukarek 3D stale przybywa, a każdy model niesie z sobą nowe możliwości i technologie druku. W tym tekście omówimy ich trzy rodzaje, które obecnie są najczęściej używane.
Na czym polega drukowanie przestrzenne?
Kiedy słyszymy słowo druk, w pierwszej kolejności myślimy o tradycyjnym drukowaniu obrazów na kartce papieru z wykorzystaniem atramentu. Po części drukowanie przestrzenne polega na podobnym procesie "wywołania" cyfrowego pliku z komputera w sposób fizyczny, jednak już sam jego przebieg opiera się o znacznie bardziej skomplikowaną technologię.
Drukowanie 3D polega na nakładaniu materiału budulcowego warstwa po warstwie i oczywiście odpowiednim spajaniu kolejnych powłok. W ten sposób uzyskujemy nie płaski obraz, ale trójwymiarowy przedmiot. Tak więc głowica drukująca przystosowana jest nie do atramentu, a do konkretnych materiałów termo lub światłoczułych, z których powstaje wydruk, natomiast ich spajanie umożliwia wiązka lasera lub po prostu studzenie.
Warto tutaj od razu zaznaczyć, że za pomocą druku 3D nie otrzymuje się w 100% gotowych przedmiotów (ewentualnie nieskomplikowane, np. figurkę lub przycisk do papieru), a jedynie poszczególne części, które następnie służą zbudowaniu konkretnej maszyny, urządzenia itp.
W technologii druku przestrzennego najważniejszymi czynnikami są:
- maszyna go umożliwiająca, czyli drukarka 3D,
- tworzywo, z którego powstanie trójwymiarowy wydruk,
- cyfrowy projekt wytwarzanego przedmiotu w programach typu CAD.
Długość trwania procesu drukowania przestrzennego zależy od wykorzystywanej technologii czy poziomu skomplikowania i wielkości drukowanej rzeczy. Osoby, które nigdy jeszcze nie widziały jak przebiega drukowanie 3D, mogą obejrzeć jeden z wielu filmów dostępnych np. na YouTube. Szybko zauważymy, że drukowany przedmiot "rośnie" wraz z kolejnymi etapami, dlatego też często druk 3D określa się mianem przyrostowego lub addytywnego.
Zastosowania druku 3D
Rozwój technologiczny druku przestrzennego sprawił, że w zależności od zastosowanego materiału znalazł on zastosowanie w naprawdę ogromnej ilości dziedzin przemysłu, od motoryzacyjnego po kosmetyczny. Z roku na rok korzysta z niego coraz więcej branż i mówi się, że w przyszłości bio-druk 3D może umożliwić tworzenie ludzkich narządów do przeszczepów.
Dziś jednak druku 3D używa się głównie w:
- lotnictwie - wydruk elementów kokpitu, wyposażenia, a nawet części silników,
- motoryzacji - tworzenie prototypów modeli oraz wydruk części samochodowych, wyposażenia czy karoserii,
- budownictwie - wytwarzanie narzędzi, wyposażenia domu (np. drzwi), a nawet wydruk całych ścian z betonu,
- jubilerstwo - tworzenie form do odlewów, a nawet gotowej biżuterii ze złota i srebra,
- medycyna - głównie wydruk implantów oraz części aparatów słuchowych, również modeli anatomicznych i narzędzi chirurgicznych,
- moda - możliwość drukowania podeszwy butów, rozmaitych dodatków do ubrań czy opraw okularów,
- kosmetyka - bio-druk pozwala uzyskać tkanki podobne do ludzkich, na których testuje się kosmetyki i ich wpływ na skórę,
- żywność - istnieją drukarki umożliwiające wydrukowanie pokarmów nadających się do spożycia.
Jak druk 3D wpływa na rozwój przedsiębiorstwa?
Zwolenników druku przestrzennego stale przybywa, i to nie tylko dlatego, że pomaga ograniczyć koszty produkcji. Wydruk komponentów pozwala przede wszystkim przyspieszyć proces produkcyjny, a przy tym uzyskać niemal idealnie szczegółowe odwzorowanie projektu cyfrowego.
Popularne rodzaje technologii druku przestrzennego
Druk 3d to bardzo uproszczona nazwa dla szeregu technologii różniących się od siebie zastosowanym materiałem czy metodą spajania. Obecnie w Polsce wykorzystuje się około 15 różnych metod, z czego najpopularniejsze są technologie druku 3D FDM (FFF), SLS i SLA.
Technologia FDM - Fused Deposition Modeling
Technologia FDM polega na warstwowym nanoszeniu materiału termoplastycznego w formie żyłki (zwanej również filamentem) przy pomocy głowicy drukującej i jego selektywnym spajaniu. To najpowszechniejsza obecnie metoda druku 3D, a jej angielska nazwa po przetłumaczeniu oznacza tyle, co "osadzanie topionego materiału". Odbywa się ona w szczelnych i podgrzewanych komorach drukarki, które umożliwiają precyzyjny wydruk i niwelują przy tym skurcz materiału.
Filament zostaje rozgrzany do temperatury jego topnienia. Następnie jest on wyciskany w formie półpłynnej na stół roboczy przez dyszę głowicy drukarki. Warstwy filamentu łączą się ze sobą w procesie schładzania, tym samym tworząc jednolitą strukturę. Technologia FDM umożliwia użycie wielu tworzyw sztucznych, m.in. włókna węglowego, plastiku czy gumy.
Drukarki FDM produkują między innymi takie firmy, jak: Stratasys, MakerBot, czy Formlabs.
FFF - Fused Filament Fabrication
Na niemal identycznym procesie wydruku opiera się pokrewna do FDM technologia FFF. Zasada działania w obu przypadkach jest jednakowa i opiera się na topieniu żyłki filamentu pod wpływem wysokiej temperatury i rozprowadzeniu jej na stole roboczym drukarki.
Różnica jednak tkwi w atmosferze wydruku - w technologii FDM zakłada się wykorzystanie specjalnej komory chroniącej przed skurczem czy odkształceniami, natomiast w modelu drukarki FFF nie jest ona stosowana. Wpływa to w sposób negatywny na finalną jakość i kształt obiektu.
Warto wiedzieć, że FDM jest nazwą handlową zastrzeżoną dla twórcy tej technologii, dlatego też powstanie pokrewnej metody musiało się wiązać z nadaniem nowej nazwy - FFF. Drukarki tego typu produkuje m.in. Omni 3D.
Do zalet tej technologii możemy zaliczyć jej sporą dostępność i niskie koszty, natomiast wadą jest jej średnia precyzja, przez co nadaje się raczej do dużych obiektów i prototypów.
Technologia druku 3D SLS
Jedną z bardziej zaawansowanych technologii druku 3D jest Selective Laser Sintering, czyli selektywne spiekanie proszku poliamidowego za pomocą wiązki lasera. Zaletą technologii SLS jest szybkość i spora precyzyjność otrzymanego wydruku, co pozwala na otrzymanie nawet skomplikowanej geometrii kształtu.
Poszczególne warstwy proszku wiąże się skupioną wiązką lasera, która porusza się po płaszczyźnie xy za pomocą skomplikowanego systemu optycznego. W trakcie nanoszenia kolejnych warstw stół roboczy opuszcza się coraz niżej, a wałek nanosi powłoki proszku do spieczenia. Ciekawostką jest fakt, że ta metoda druku 3D nie wymaga stosowania struktur podporowych, natomiast po zakończonym wydruku należy poddać przedmiot odprężeniu w specjalnym piecu.
Technologia SLS umożliwia zastosowanie kilku rodzajów proszku poliamidowego, pozwalających uzyskać różną gładkość powierzchni, twardość czy sztywność wydruku.
SLS nadaje się zarówno do wydruku pojedynczych modeli, jak i produkcji seryjnej, zapewniając przy tym wysoką jakość i odwzorowanie. Świetnymi parametrami do szerokich zastosowań produkcyjnych charakteryzują się m.in. drukarki SLS firmy Sinterit.
Wykorzystanie druku 3D SLS
Możliwość uzyskania wysokiej precyzji wydruku zagwarantowała technologii SLS trwałą pozycję w przemyśle produkcyjnym. Pozwala ona wytwarzać precyzyjne części do budowy samochodów, samolotów, rozmaitych maszyn i urządzeń elektronicznych. Niekiedy wykorzystywana jest także do wytwarzania modeli architektonicznych oraz anatomicznych w medycynie.
Technologia druku 3D SLA
Ostatnią z omawianych w tym artykule metod druku 3D będzie technologia SLA (Stereolitografia). Opiera się ona na wykorzystaniu materiałów światłoczułych utwardzanych za pomocą lasera.
Stół roboczy drukarki znajduje się w zbiorniku, do którego wlewa się określoną ilość żywicy światłoutwardzalnej. Platforma unosi się, a zgarniacz rozprowadza warstwę żywicy. Utwardzanie (polimeryzacja) odbywa się wiązką lasera, która rysuje kształt obiektu na wysokość zadanej warstwy. Po zakończonej pracy drukarki wydruk wymaga w dużej mierze oczyszczenia z resztek nieutwardzonego materiału.
Jeśli drukowany element ma spore rozmiary, zdarza się, że następuje duży skurcz utwardzanej w tym samym czasie żywicy i w jego następstwie pęknięcia. Aby do nich nie dopuścić, wydruk poddawany jest dodatkowo naświetlaniu promieniami UV.
Drukarki SLA znajdziemy w ofercie takich producentów, jak Prusa, XYZprinting czy Zortax.
Podobną metodą do technologii SLA jest DLA (digital light processing), jednak w niej półpłynne tworzywo sztuczne spaja się nie laserem, a za pomocą światła projektora. Utwardzając żywicę laserem bądź światłem emitowanym przez projektor można uzyskać wysoce precyzyjne części o cienkich i przeźroczystych ściankach. Ponadto na rynku dostępna jest szeroka gama materiałów światłoutwardzalnych, umożliwiających szerokie zastosowanie tej metody.
Inne technologie druku 3D
Obecnie druk 3D umożliwia wykorzystanie nie tylko tworzyw sztucznych, ale także metali czy proszku gipsowego. Poza przedstawionymi w artykule technologiami, rosnącą popularnością cieszą się także metody:
- PolyJet - jedna z najbardziej precyzyjnych metod druku 3D, pozwalająca wydrukować warstwę cieńszą od ludzkiwgo włosa. W technologii PolyJet również używa się żywicy światłoutwardzalnej, jednak utwardza się ją nie laserem a lampą UV. Pozwala drukować w pełnym kolorze z palety barw CMYK.
- DMLS - Direct Metal Laser Sintering - ta technologia polega na przetapianiu laserem sproszkowanych stopów metali, najczęściej aluminium i tytanu. Daje ona możliwość druku części, których nie da się otrzymać za pomocą odlewu czy wycinania metalu. Otrzymane w ten sposób przedmioty mają wysoki stosunek wytrzymałości do swojej masy.
- CJP - w tej technologii druku 3D wykorzystuje się proszek gipsowy, który rozprowadzany jest na powierzchni roboczej, a następnie głowica wtryskuje w niego lepiszcze z barwnikiem. Metoda ta służy głównie do wizualizacji modeli w 3D.
Drukowanie przestrzenne w przyszłości
Wciąż obserwujemy rozwój technologii druku 3D. W wielu laboratoriach na całym świecie testuje się coraz to nowe metody, dzięki którym być może będziemy mogli w przyszłości drukować tkanki narządów do przeszczepów.
Można powiedzieć, że druk 3D zrewolucjonizował maszyny i wszystko wskazuje na to, że zacznie rewolucjonizować i ludzi.
