Co wiesz o druku 3D – najważniejsze pojęcia i technologie

Co wiesz o druku 3D – wprowadzenie

Jesteśmy obecnie świadkami wielkiej rewolucji technik wytwarzania. W niedalekiej przyszłości, wszystko czego potrzebujemy – od maszyn, przedmiotów codziennego użytku, produktów spożywczych po części naszych ciał – będzie mogło być szybko wytworzone lub zastąpione przy minimalnych odpadach materiału. Zmiana ta jest porównywana z wynalezieniem i popularyzacją elektryczności. Pokazuje to z jak wielką rewolucją mamy do czynienia. Bodźcem który za to odpowiada jest rosnąca popularność oraz ciągłe udoskonalanie tzw. technik przyrostowych zwyczajowo nazywanych drukiem 3D. Co wiesz o druku 3D? Jak zbudowana jest drukarka 3D? Jakich materiałów używa się do druku 3D? O tym wszystkim przeczytasz poniżej.

Co to są techniki przyrostowe? Ich istota polega na wytworzeniu rzeczywistego modelu poprzez nakładanie na siebie kolejnych, bardzo cienkich warstw materiału. Bryła jest budowana od podstawy aż po swój czubek. Zależnie od technologii druku, użytych materiałów i grubości warstw możemy otrzymać modele o różnej dokładności, chropowatości, dokładności, czy kolorze. Obiekt, który chcemy wydrukować należy wcześniej zaprojektować w oprogramowaniu 3D (np. SOLIDWORKS), a następnie w programie zwanym „slicerem” ( po polsku krajalnica) pociąć go na plastry reprezentujące kolejne warstwy nakładanego materiału. Slicer ma również za zadanie stworzenie poleceń dla drukarki w języku zwanym G-Code. Jak widać , zasada działania jest podobna do zwykłej drukarki. Jedyną różnicą jest fakt, że tradycyjna drukarka nakłada jedną, dużo cieńszą warstwę.

Historia druku 3D

• Za datę narodzin druku 3D uznaje się rok 1984, kiedy to Charles Hull stworzył wynalazł technologię umożliwiającą stworzenie przedmiotu na podstawie jego modelu cyfrowego – stereolitografię.

• W 1992 roku firma 3D Systems, założona przez Charles’a Hull’a wypuszcza na rynek pierwszą komercyjną drukarkę 3D wykorzystującą stereolitografię. Model, choć posiadający wiele wad, stanowi kamień milowy w komercjalizacji technik przyrostowych.
• W 1999 roku pacjentowi zostaje operacyjnie wszczepiony pęcherz moczowy. Szkielet organu został wykonany w technologii druku 3D, a następnie pokryty komórkami pacjenta.
• 2002 to wydrukowanie przez naukowców z Wake Forest w USA miniaturowej nerki.
• W 2005 roku Adrian Bowyer opracowuje pierwszego RepRapa, czyli system umożliwiający zbudowanie drukarki 3D, która jest w stanie sama wydrukować większość swoich komponentów.
• Wydarzenia te powodują popularyzację oraz spadek cen niskobudżetowych drukarek 3D.
• 2008 rok – druk pierwszej, w pełni funkcjonalnej protezy nogi.
• Lata 2011 – 2012 to pierwsze wydruki 3D samolotu, samochodu, wyrobów jubilerskich, czy implantu szczęki.
• 2013 – pojawienie się na rynku polskiej firmy Monkeyfab, producenta uniwersalnych drukarek FDM.

Najważniejsze pojęcia

• Adhezja – przyleganie materiału do niższej warstwy / stołu
• Ekstruder – głowica drukarki wyciskająca filament
• Filament – materiał do druku, tworzywo termoplastyczne w postaci cienkiego pręta nawiniętego na szpulę
• G code – język, w którym napisane są instrukcje dla drukarki
• Hot end – końcówka ekstrudera topiąca fi lament, dysza przez którą filament jest przeciskany na wydruk
• Heated Bed– podgrzewany i ruchomy stół, na którym jest drukowany nasz model
• Infill – wypełnienie wnętrza modelu
• Model – zaprojektowany obiekt, który będziemy drukować
• Mesh –siatka, określenie powierzchni obiektu 3D zbudowanego z wielu wielokątów.
• Slicer – program który tnie nasz model na warstwy oraz generuje instrukcje dla drukarki (np. KISSlicer)
• SOLIDWORKS – oprogramowanie do budowania trójwymiarowych obiektów, które potem można wydrukować

• STL – format pliku w którym zapisany model jest opisany przez siatkę wielokątów; modele do drukowania muszą być zapisane w tym formacie
• Support – materiał podporowy używany do umocowania wydruku na stole bądź podparcia „zwisających” obiektów; support jest drukowany mniejszą gęstością ścieżek aby łatwiej byłoby usunąć go z gotowego modelu oraz ograniczyć zużycie filamentu

Przegląd najpopularniejszych technologii druku 3D

Stereolitografia (SLA) – druk powstaje poprzez utwardzanie światłem laserowym kolejnych warstw płynnej żywicy. Sterowany komputerowo promień lasera miejscowo utwardza światłoczułą żywicę, która pod jego wpływem twardnieje (polimeryzuje). Następnie stół drukarki obniża się, zanurzając model w żywicy i proces powtarzany jest dla kolejnej warstwy. Modele wykonane w SLA charakteryzują się bardzo dobrą gładkością, dokładnym odwzorowaniem szczegółów i możliwością drukowania przedmiotów i skomplikowanych kształtach. Za główną wadę tej technologii uznaje się bardzo wysoką cenę drukarek i żywic.

Selektywne spiekanie laserem (SLS) – metoda polegająca na miejscowym spiekaniem wiązką lasera warstwy proszku. Proszek może być wykonany z tworzywa sztucznego, metalu, ceramiki. Analogicznie do SLA, po wykonaniu warstwy model obniża się, nanoszona jest kolejna warstwa proszku, która następnie zostaje poddana działaniu wiązki lasera. Do głównych zalet tej technologii można zaliczyć większą wytrzymałość wydruków wynikającą z użytych materiałów. W SLS nie ma również konieczności stosowania materiału podporowego (model podczas wydruku jest podpierany sypkim, nie spieczonym proszkiem). Do wad tej metody trzeba zaliczyć wysoki koszt drukarki oraz konieczność sprzątania proszku po każdym wydruku.

Stapianie wiązką elektronów (EBM) – technologia analogiczna do SLS, jednak zamiast lasera używa się wiązki elektronów. Przyspieszone w dziale elektronowym cząstki uderzają w proszek, a ich energia kinetyczna zamienia się na ciepło podnosząc temperaturę proszku i powodując jego stopienie.

3D Printing (3DP) – metoda bardzo podobna do SLS. Różnica polega na technologii łączenia proszku – w 3DP zamiast lasera do łączenia proszku używa się płynnego spoiwa. Tak, jak zwykłe drukarki atramentowe nanoszą atrament na papier, tak ruchoma głowica nanosi na warstwę proszku lepiszcze. Gotowy wydruk należy jeszcze utwardzić poprzez wygrzanie go. W wyniku tego procesu ziarna proszku łączą się ze sobą, a spoiwo zostaje usunięte z modelu.

Laminacja (LOM) – w pokrytym cienką warstwą kleju, specjalnym papierze, za pomocą wiązki lasera, wycinany jest odpowiedni kształt. Reszta papieru jest usuwana, a na model jest nakładana kolejna warstwa papieru. Proces jest powtarzany aż do uzyskania całego wydruku. LOM jest szybkim procesem, jednak wydruki mają szorstką powierzchnię oraz niską wytrzymałość. Minusem jest też bardzo duża ilość wytwarzanego odpadu.

Osadzanie stopionego filamentu (FFF/FDM) – najpopularniejsza technologia druku 3D. Polega ona na układaniu kolejnych ścieżek i warstw roztopionego tworzywa termoplastycznego. Stygnąc warstwy spajają się ze sobą. Popularność tej metody wynika z bardzo niskich, w porównaniu do innych technologii, kosztów drukarek i materiałów (fi lamentów). Drukarki FFF są bardzo proste w budowie, łatwe w obsłudze oraz zajmują mało miejsca. Wady to duża chropowatość powierzchni oraz brak możliwości wykonania wydruków o zbyt skomplikowanych kształtach.

Materiały stosowane w FFF

W FFF stosuje się materiały termoplastyczne, czyli takie, które w podwyższonej temperaturze zmieniają stan skupienia na ciekły. Można je przetwarzać wielokrotnie. Materiały mogą być w dowolnym kolorze, przezroczyste, świecące w ciemnościach, czy np. z domieszką drewna. Poniżej znajduje się zestawienie najczęściej używanych materiałów:

PLA (polilaktyd) – jeden z najczęściej używanych termoplastów. Jest przyjazny dla środowiska oraz w pełni biodegradowalny. Otrzymuje się go z cukrów roślinnych np. z kukurydzy, trzciny cukrowej, czy tapioki. Materiał o średniej wytrzymałości, dość kruchy. Topi się w temperaturze ok. 180⁰ C.

ABS – drugie co do popularności tworzywo. Szeroko wykorzystywane w przemyśle, np. do produkcji klocków Lego. Bardziej wytrzymałe od PLA, jednak jest też bardziej łamliwe oraz potrzebuje wyższych temperatur (220⁰C-225⁰C). Podczas stygnięcia znacząco się kurczy.

PC (poliwęglan) – materiał stosunkowo niedawno wprowadzony do druku 3D. Charakteryzuje się bardzo wysoką twardością i wytrzymałością (m. in. z poliwęglanu są wykonywane szyby kuloodporne). Niestety ze względu na temperaturę topnienia wynoszącą ok. 260⁰C PC wymaga bardziej skomplikowanych drukarek. Jest również podatny na działanie promieniu UV matowiejąc z czasem.

Nylon (poliamid) – materiał dość elastyczny o doskonałych zdolnościach przylegania do siebie warstw (adhezji). Dzięki temu można z niego łatwo tworzyć obiekty wodoszczelne jak np. kubki, czy wazy. Można również łatwo go zabarwiać stosując łatwo dostępne barwniki do ubrań nylonowych. Niestety wymaga również temperatur w zakresie 240⁰C – 270⁰C.

PVA (alkohol poliwinylowy) – biodegradowalny materiał wyciskany w temperaturze między 180⁰C – 200⁰C. Jest w pełni rozpuszczalny w wodzie, przez co najczęściej jest stosowany na drukowanie podpór modelu, które później łatwo można usunąć.

HDPE (polietylen o wysokiej gęstości) – jedno z najpopularniejszych na świecie tworzyw stosowane m. in. do produkcji butelek. Jest łatwo dostępne i możliwe do recyklingu, co wpływa na jego niską cenę. Jego wadą jest słaba przyczepność, co komplikuje przytwierdzenie modelu do stołu drukarki.