Βασικά στοιχεία της 3D εκτύπωσης

Η εκτύπωση 3D (επίσης γνωστή ως Additive Manufacturing) είναι η διαδικασία δημιουργίας τρισδιάστατων φυσικών αντικειμένων από ένα ψηφιακό αρχείο, προσθέτοντας διαδοχικά στρώματα υλικού μέσω ενός εκτυπωτή 3D. Χρησιμοποιώντας μια διαδικασία προσθήκης, το 3DP είναι το αντίθετο των συμβατικών μεθόδων αφαίρεσης αγωγών όπου το υλικό αποκόπτεται διαδοχικά από ένα συμπαγές μπλοκ. Η διαφορά μεταξύ μιας αφαιρετικής διαδικασίας και ενός πρόσθετου σχηματοποιείται στην παρακάτω εικόνα.

Αφαιρετική διαδικασία (πάνω εικόνα) vs. Προσθετική διαδικασία. Πηγή: http://ludoreng.com/

Διαθέσιμες Τεχνολογίες Εκτύπωσης 3D

Υπάρχουν πολλές διαθέσιμες τεχνολογίες 3DP σήμερα, στις οποίες χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι υλικών (π.χ. στερεά νήματα, σφαιρίδια, υγρά, ειδική σκόνη και πολτός) οι οποίοι απαιτούν διαφορετικές μεθόδους επεξεργασίας.

Η στερεολιθογραφία (SLA) δημιουργεί αντικείμενα σκληραίνοντας επιλεκτικά ένα στρώμα ρητίνης ανά στρώση χρησιμοποιώντας μια πηγή φωτός (λέιζερ ή προβολέα). Η Ψηφιακή Επεξεργασία Φωτός (DLP) μοιάζει πολύ με το SLA με κύρια διαφορά ότι η τεχνολογία DLP χρησιμοποιεί έναν προβολέα ψηφιακού φωτός ο οποίος αναβοσβήνει μία εικόνα κάθε επιπέδου ταυτόχρονα. Η τεχνολογία Selective Laser Sintering (SLS) χρησιμοποιεί ένα λέιζερ που προκαλεί επιλεκτικά τη σύντηξη μεταξύ σωματιδίων σκόνης μέσα σε μια περιοχή κατασκευής για να δημιουργήσει ένα συμπαγές αντικείμενο. Υπάρχουν πολλές άλλες τεχνολογίες 3DP και εξακολουθούν να αναπτύσσονται νέες.

Ωστόσο, οι περισσότερες από αυτές τις τεχνολογίες είναι πολύ περίπλοκες και πολύ ακριβές για να ληφθούν υπόψη στην εκπαίδευση ενηλίκων με χαμηλή ειδίκευση. Η πιο δημοφιλής και πιο προσιτή τεχνολογία 3DP είναι η Fused Deposition Modeling (FDM). Η τεχνολογία FDM είναι εύκολη στη χρήση και κατάλληλη για εκπαίδευση ενηλίκων. Κατά συνέπεια, αυτή η ενότητα θα επικεντρωθεί στην τεχνολογία FDM.

Η τεχνολογία FDM καθορίζει διαδοχικά στρώματα υλικού σε υψηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντας στα γειτονικά στρώματα να κρυώσουν και να κολλήσουν μεταξύ τους πριν από την εναπόθεση του επόμενου στρώματος.

Τεχνολογία FDM. Πηγή: http://ludoreng.com/

Ροή Εργασίας του 3DP

Η τεχνολογία 3DP συνήθως περιλαμβάνει τη χρήση υπολογιστή, ψηφιακού 3D μοντέλου, λογισμικού για προετοιμασία μοντέλου 3D, εκτυπωτή 3D και τη χρήση πρώτων υλών.

Πρώτον, απαιτείται το τρισδιάστατο μοντέλο του αντικειμένου που θα εκτυπωθεί. Αυτό πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία προκειμένου να ληφθεί ένα αρχείο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον τρισδιάστατο εκτυπωτή. Συνήθως, αυτό σημαίνει τη μετατροπή του μοντέλου 3D σε ένα αρχείο τύπου .stl, εάν είναι απαραίτητο, και τον διαχωρισμό του αρχείου .stl σε ένα σύνολο τμημάτων 2D χρησιμοποιώντας ένα λογισμικό slicer. Το λογισμικό slicer ρυθμίζει επίσης τις παραμέτρους της διαδικασίας εκτύπωσης 3D και, στο τέλος, δημιουργεί ένα αρχείο που περιέχει όλες τις οδηγίες που απαιτούνται από τον εκτυπωτή 3D για την ολοκλήρωση της εργασίας. Αυτό το αρχείο (συνήθως ένα αρχείο τύπου .gcode, δηλαδή ένα αρχείο που περιέχει εντολές στο G-Code, το οποίο είναι μια γλώσσα που μπορούν να διαβάσουν οι εκτυπωτές 3D) τροφοδοτείται στον εκτυπωτή 3D ο οποίος στη συνέχεια καθορίζει διαδοχικά στρώματα λειωμένου υλικού για την κατασκευή του εξαρτήματος. Μια τυπική ροή εργασίας 3DP σχηματοποιείται στην παρακάτω εικόνα.

Διαδικασία εκτύπωσης. Πηγή: Ludor Engineering

Λήψη Μοντέλων 3DP

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι απόκτησης ενός μοντέλου 3D για εκτύπωση μέσω 3DP.

Αρχικά, με μοντελοποίηση 3D, χρησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό, με σάρωση 3D ή με λήψη από ένα εξειδικευμένο ψηφιακό αποθετήριο.

Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα λογισμικά για τη δημιουργία τρισδιάστατων μοντέλων, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων που διατίθονται δωρεάν για όλα τα επίπεδα (από αρχάριους έως επαγγελματίες). Μερικά από αυτά παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα. Επιπλέον, υπάρχουν πολλοί εκπαιδευτικοί πόροι και σεμινάρια που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μάθει κανείς πώς να δημιουργεί τα δικά του μοντέλα 3D. Η μοντελοποίηση 3D είναι μια απαραίτητη δεξιότητα για τη δημιουργία δικών σας αντικειμένων.

*Δωρεάν for students and educators

Η σάρωση 3D είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την καταγραφή του σχήματος ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας έναν σαρωτή 3D ή ένα smartphone που διαθέτει μια κατάλληλη εφαρμογή. Οι εφαρμογές σάρωσης 3D βασίζονται στη φωτογραμμετρία, μια τεχνολογία που δημιουργεί τρισδιάστατα μοντέλα από δισδιάστατες φωτογραφίες που λαμβάνονται από διαφορετικές γωνίες, τα οποία στη συνέχεια «συρράπτονται» από ένα λογισμικό. Ορισμένες εφαρμογές σάρωσης 3D φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Ο απλούστερος τρόπος για να αποκτήσετε ένα μοντέλο 3D για το 3DP είναι να το κατεβάσετε από ένα από τα πολλά διαθέσιμα διαδικτυακά αποθετήρια. Πολλά από αυτά τα μοντέλα είναι δωρεάν. Μερικά από τα καλύτερα τέτοια αποθετήρια παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.

Τρισδιάστατο Λογισμικό (Slicer) Εκτύπωτης

Το Slicer είναι λογισμικό που λαμβάνει το μοντέλο 3D (πιο συχνά σε μορφή .stl), το διαιρεί σε πολλαπλά επίπεδα, τα οποία περιλαμβάνουν τις ρυθμίσεις του 3D εκτυπωτή (όπως θερμοκρασία, ύψος επιπέδου, ταχύτητα εκτύπωσης κ.λπ.), και δημιουργεί το αρχείο G-code που παρέχει τις οδηγίες που απαιτούνται από τον τρισδιάστατο εκτυπωτή για να δημιουργηθεί το αντικείμενο. Υπάρχουν πολλά διαθέσιμα Slicers και τα περισσότερα είναι δωρεάν. Μερικά από τα πιο δημοφιλή Slicers δίνονται στον παρακάτω πίνακα.

Εκτυπωτές 3D FDM

Ένας εκτυπωτής FDM 3D χρησιμοποιεί ένα συνεχές νήμα, το οποίο τροφοδοτείται μέσω μηχανισμού μετάδοσης σε θερμαντήρα που τον θερμαίνει και το λιώνει. Στη συνέχεια, το λειωμένο νήμα εκτοξεύεται από το ακροφύσιο στο στρώμα εκτύπωσης στην επιθυμητή γεωμετρία. Μετά από κάθε στρώση, το στρώμα εκτύπωσης (ή το ακροφύσιο) κινείται στον κατακόρυφο άξονα και το επόμενο στρώμα προστίθεται έως ότου το αντικείμενο εκτυπωθεί σε τρισδιάστατη μορφή (3D). Η διαδικασία απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.

Διαδικασία FDM. Πηγή: Ludor Engineering

Τα κύρια συστατικά ενός εκτυπωτή FDM 3D είναι:

• Το πλαίσιο – Συγκρατεί όλα τα μέρη του εκτυπωτή 3D μαζί. Μπορεί να είναι κατασκευασμένο από λαμαρίνα, αλουμίνιο, πλαστικό, κόντρα πλακέ ή ακόμη και 3D τυπωμένο.
• Σώμα εκτύπωσης – Η επιφάνεια στην οποία εκτυπώνονται τα αντικείμενα. Μπορεί να θερμανθεί, το οποίο είναι ένα πολύ χρήσιμο χαρακτηριστικό για την αποφυγή στρέβλωσης αντικειμένων και ξεφλούδισμα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκτύπωσης.
• Εξωθητής – Ένα ουσιαστικό μέρος με δύο επιμέρους άκρα: Το κρύο άκρο με έναν κινητήρα, το οποίο τραβάει το νήμα και το ωθεί, και το καυτό άκρο όπου το νήμα λιώνει και εξάγεται.
• Μηχανική κίνηση κεφαλής – Υπάρχουν διάφοροι τύποι, οι πιο συνηθισμένοι είναι:
• Καρτεσιανοί – Οι εκτυπωτές έχουν ορθογώνιο πλαίσιο όπου οποιαδήποτε κίνηση μπορεί να συμβεί κατά έναν από τους τρεις κάθετους άξονες: X, Y ή Z.
• Delta – Ο εξωθητής συγκρατείται από τρεις βραχίονες σε τριγωνική διαμόρφωση και η τυπωμένη ύλη είναι συνήθως κυκλική και δεν κινείται.
• Polar – Χρησιμοποιείται σύστημα πολικών συντεταγμένων, όπου η τοποθέτηση καθορίζεται από μια γωνία και ένα μήκος.
• Ρομποτικός βραχίονας
• Stepper Motors – Χρησιμοποιείται για ακριβή έλεγχο θέσης.
• Ηλεκτρικά εξαρτήματα – Τροφοδοτικό, μητρική πλακέτα, stepper προγράμματα οδήγησης, υποδοχή κάρτας SD και διεπαφή χρήστη.

Τα χαρακτηριστικά του FDM 3D εκτυπωτή. Πηγή: Ludor Engineering

Οι εκτυπωτές FDM 3D μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κύριες ομάδες: βιομηχανικούς και επιτραπέζιους εκτυπωτές 3D. Οι επιτραπέζιοι εκτυπωτές FDM 3D είναι κατάλληλοι για παραγωγή πρωτοτύπων και εκτυπώσεις χαμηλού όγκου, ενώ οι βιομηχανικοί χρησιμοποιούνται για λειτουργικά εξαρτήματα υψηλής ποιότητας, τα οποία χαρακτηρίζονται από μεγάλο μέγεθος, υψηλή ακρίβεια και υψηλές ιδιότητες υλικού. Οι κύριες διαφορές μεταξύ των επιτραπέζιων και βιομηχανικών εκτυπωτών είναι το κόστος και οι δυνατότητες παραγωγής, όπως φαίνεται από τον παρακάτω πίνακα.

Πηγή: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/industrial-fdm-vs-desktop-fdm/

Βιομηχανικό Επίπεδο FDM 3D printer. Source: Ludor Engineering

Επιτραπέζιο FDM 3D printer. Source: Ludor Engineering

Υλικά 3DP

Το FDM 3DP χρησιμοποιεί συνεχές νήμα θερμοπλαστικού, ένα υλικό που λιώνει όταν θερμαίνεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και στερεοποιείται όταν ψύχεται. Τα νήματα διατίθενται σε διαφορετικούς τύπους, συνήθως σε καρούλια διαφορετικών μεγεθών και βαρών. Χρησιμοποιούνται συνήθως δύο διάμετροι νήματος: 1,75 mm (η πιο δημοφιλής) και 3 mm / 2,85 mm.

Υλικά εκτύπωσης για 3D εκτυπωτή FDM. Πηγή: Ludor Engineering

Υπάρχουν πολλοί τύποι νημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από εκτυπωτές 3D FDM. Τα πιο δημοφιλής νήματα είναι τα PLA και ABS. Το PLA είναι το νήμα της επιλογής για το χόμπι 3DP λόγω των χαρακτηριστικών και της χαμηλής τιμής του. Το ABS είναι επίσης φθηνό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή λειτουργικών ανταλλακτικών. Για πιο απαιτητικές εφαρμογές, μπορούν να χρησιμοποιηθούν υλικά όπως το Polycarbonate (PC), το Nylon και το PETG.

Το Nylon προσφέρει υψηλή ευελιξία και μεγάλη αντοχή ενώ είναι εξαιρετικά ελαφρύ. Τα τυπωμένα μέρη από Nylon δεν είναι τόσο εύθραυστα όσο αυτά που τυπώνονται με ABS ή PLA, οπότε να είναι 10 φορές ισχυρότερα χωρίς ρωγμές ή σπασίματα. Το PET είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο πλαστικό στον κόσμο και οι παραλλαγές του PETG και PETT χρησιμοποιούνται συχνά στο 3DP. Το PETG συνδυάζει την αντοχή, τη θερμοκρασία και την ανθεκτικότητα του ABS με την ευκολία χρήσης του PLA, ενώ το PETT είναι ισχυρό και μπορεί να είναι ασφαλές για τρόφιμα και διαφανές.

Ορισμένοι ειδικοί τύποι νήματος, διαλυτοί στο νερό, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία δομών στήριξης οι οποίες είναι απαραίτητες όταν το εκτυπωμένο μέρος έχει προεξοχές ή χαρακτηριστικά αιωρούμενα στον αέρα, όπως στο παράδειγμα που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Υποστηρικτικές δομές (με κόκκινο χρώμα) και το τρισδιάστατο τυπωμένο μέρος (με μπλε χρώμα). Πηγή: Ludor Engineering

Συνήθως χρησιμοποιείται ένας εκτυπωτής 3D με δύο ακροφύσια, όπου ο ένας εκτυπώνει το τμήμα με κανονικό νήμα και ο δεύτερος εκτυπώνει τις δομές στήριξης. Το τμήμα τοποθετείται στη συνέχεια στη διαλυτική ουσία έως ότου να διαλυθούν όλα τα στηρίγματα. Τέτοια υλικά είναι τύπου PVA (υδατοδιαλυτό υλικό, χρησιμοποιείται ως στήριγμα με υλικό PLA) και τύπου HIPS (που διαλύεται σε διάλυμα λιμονενίου και χρησιμοποιείται ως στήριγμα με υλικό ABS).

Το PVC χρησιμοποιείται ως στήριγμα. Πηγή: filamentguide.net

Τα θερμοπλαστικά ελαστομερή (TPE) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τρισδιάστατη εκτύπωση εύκαμπτων αντικειμένων όπως υποδήματα ή ζώνες κίνησης. Το TPU (Thermoplastic Polyurethane) είναι ένας από τους πιο χρησιμοποιούμενους τύπους TPE.

Υποδήματα 3D εκτυπωμένα σε TPE. Πηγή: Adidas

Στο FDM χρησιμοποιούνται επίσης σύνθετα νήματα κατασκευασμένα από πολυμερή ενισχυμένα με μέταλλα, γυαλί, άνθρακας, κεραμικά, κλπ.

Τα PEEK και PEI είναι υλικά με εξαιρετικά υψηλές μηχανικές, θερμικές και χημικές ανθεκτικές ιδιότητες που διατηρούνται σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, πρέπει να εκτυπώνονται τρισδιάστατα σε εκτυπωτές 3D με υψηλές δυνατότητες (δηλαδή εκτυπωτές που είναι σε θέση να χειρίζονται θερμοκρασίες πάνω από 400° C)

Το ευρύ φάσμα νημάτων που διατίθενται στο FDM μπορεί να χωριστεί σε 3 κύριες ομάδες: τυπικά θερμοπλαστικά, υλικά μηχανικής και θερμοπλαστικά υψηλής απόδοσης.

Η πυραμίδα των υλικών FDM. Πηγή: Ludor Engineering

Τα πιο συνηθισμένα υλικά FDM βρίσκονται στο 3DP που συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα μαζί με κάποιες ενδείξεις σχετικά με τα χαρακτηριστικά τους.

Πλεονεκτήματα και περιορισμοί 3DP

Το 3DP έχει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα:

• Κατασκευή ενός προτύπου – Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες που απαιτούν συνήθως μεγάλο αριθμό κατασκευαστικών βημάτων για την παραγωγή ενός εξαρτήματος, το 3DP ολοκληρώνει ένα μέρος σε ένα βήμα.
• Δεν υπάρχει ανάγκη για εργαλεία – Το 3DP δεν χρειάζεται καλούπια, παζλ ή άλλα εργαλεία και, επομένως, είναι πολύ βολικό για την παραγωγή μοναδικών εξαρτημάτων ή μικρών παρτίδων.
• Αποτελεσματική προσαρμογή – Η προσαρμογή ενός προϊόντος από το 3DP απαιτεί μόνο την τροποποίηση του αρχείου 3D του, οπότε επι της ουσίας, δεν υπάρχει επιπλέον κόστος.
• Ελευθερία σχεδιασμού και πολυπλοκότητας – Πολύπλοκα και γεωμετρικά σχήματα, είναι ορισμένες φορές αδύνατο ή πολύ ακριβό να παραχθούν με άλλες μεθόδους, ωστόσο, μπορούν να παραχθούν με το 3DP.
• Εκτύπωση κατ ‘απαίτηση – Αποθηκεύοντας τα ψηφιακά τρισδιάστατα μοντέλα των ανταλλακτικών και εκτυπώνοντάς τα μόνο όταν χρειάζεται, ο απαιτούμενος χώρος για αποθήκευση αποθεμάτων μειώνεται, καθώς και το κόστος.
• Γρήγορη παραγωγή – Ανάλογα με το σχεδιασμό και την πολυπλοκότητα ενός εξαρτήματος, είναι πολύ πιο γρήγορο να το εκτυπώσετε ως 3D, παρά να το αποκτήσετε μέσω μηχανικής κατεργασίας ή χύτευσης.
• Ελαχιστοποίηση αποβλήτων – Το 3DP παράγει ελάχιστη ή καθόλου σπατάλη.

Ωστόσο, το 3DP χαρακτηρίζεται και από περιορισμούς, συμπεριλαμβανομένων:

• Μειωμένο εύρος υλικών που μπορούν να εκτυπωθούν σε 3D – Είναι κυρίως πλαστικά.
• Περιορισμένο μέγεθος εξαρτημάτων που μπορούν να παράγουν 3D εκτυπωτές.
• Ακριβό κόστος κατασκευής για μέρη μεγάλου όγκου – Το κόστος ανά τρισδιάστατο τυπωμένο μέρος παραμένει σταθερό ανεξάρτητα από τον αριθμό των εξαρτημάτων που παράγονται, ενώ στις παραδοσιακές μεθόδους κατασκευής, το κόστος μονάδας μειώνεται με την αύξηση της παραγωγής. Κατά συνέπεια, το 3DP μπορεί να είναι πιο οικονομικό για μια μικρή παρτίδα αλλά πιο ακριβό καθώς αυξάνεται η παραγωγή.
• Χαμηλή αντοχή – Τα τρισδιάστατα τυπωμένα μέρη είναι συχνά πιο αδύναμα από τα παραδοσιακά κατασκευασμένα ισοδύναμά τους.
• Χαμηλή ακρίβεια και χαμηλή ποιότητα επιφάνειας.
• Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές είναι αργοί.

Εφαρμογές 3DP

Το 3DP είναι μια πολύ εύκολη, προσιτή και γρήγορη μέθοδος παραγωγής πρωτοτύπων, επιτρέποντας την ταχύτερη ανάπτυξη προϊόντων.

Ένα πρωτότυπο που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας  3D εκτυπωτή. Πηγή: Ludor Engineering

Το 3DP, ειδικά το FDM, μπορεί να παράγει προσθετικά με χαμηλό κόστος και σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Ένα 3D εκτυπωμένο χέρι. Πηγή: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand, CC BY-SA 4.0

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές FDM χρησιμοποιούνται στην εκπαίδευση, σε όλα τα επίπεδα, από τα νηπιαγωγεία έως την εκπαίδευση ενηλίκων.

3D εκτυπωμένο χέρι ρομπότ, για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Πηγή:Ludor Engineering

Τα τρισδιάστατα τυπωμένα αρχιτεκτονικά μοντέλα μπορούν να παραχθούν γρήγορα και με μικρό μέρος του κόστους που απαιτείται εν σχέσει με τις παραδοσιακές τεχνικές.

Ένα 3D εκτυπωμένο αρχιτεκτονικό μοντέλο. Πηγή:Ludor Engineering

Η μέθοδος FDM μπορεί να παράγει ισχυρά και λειτουργικά εξαρτήματα για ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και οικιακών χρήσεων.

3D εκτυπωμένο λειτουργικό μέρος. Πηγή: Ludor Engineering

Η μέθοδος FDM είναι κατάλληλη τόσο για βιομηχανική όσο και για οικιακή χρήση. Οι οικιακές εφαρμογές περιλαμβάνουν τη δημιουργία αντικειμένων, ανταλλακτικών και εργαλείων που απαιτούνται στο σπίτι.

Οικιακό εργαλείο κατασκευασμένο από 3D εκτυπωτή. Πηγή: Ludor Engineering