3D spausdinimo pagrindai

3D spausdinimas (taip pat žinomas kaip adityvus gaminimas) trimačio vientiso, praktiškai bet kokios formos objekto gaminimo procesas iš skaitmeninio modelio. Pasitelkiant adityvų gaminimą, 3D spausdinimas skiriasi nuo tradicinių apdorojimo technikų, kurios dažniausiai priklauso nuo medžiagos pašalinimo naudojant pjovimo ar atėmimo procesus. Skirtumas tarp atėmimo ir adityvaus procesų pavaizduotas žemiau esančiame paveikslėlyje:

Atėmimo procesas (viršuje) ir adityvus procesas. Šaltinis: http://ludoreng.com/

Prieinamos 3D spausdinimo technologijos

Šiandien nemažai 3D spausdinimo technologijų yra prieinamos visiems. Joms naudojamos įvairios medžiagos (kietosios (plėvelės, gijos, granulės), skystis, milteliai, suspensija) ir skirtingi metodai.

Stereolitografija (SLA) yra 3D spausdinimo technologijos forma, naudojama modeliams, prototipams, šablonams ir gamybos dalims kurti sluoksniu sluoksniu, naudojant fotocheminius procesus, kurių metu šviesa sukelia cheminių monomerų ir oligomerų kryžminį sujungimą ir sudaro polimerus. Skaitmeninio optinio apdorojimo technologija (DLP) yra labai panaši į SLA, tačiau DLP fokusuoja viso paviršiaus lazerį ant 3D spausdinimo medžiagos paviršiaus. Taigi DLP technologijos modeliai spausdinami greičiau. Selektyvus kietinimas lazeriu (SLS) nenaudoja kietinimo granulių miltelių sulydymui, bet  naudodamas aukštos energijos lazerį visiškai išlydo miltelius ir tokiu būdu gaunamos kietosios medžiagos. Šiandien yra ir daug kitų 3D spausdinimo technologijų, o naujos yra vis dar kuriamos.

Vis dėlto, dauguma 3D spausdinimo technologijų žemą kvalifikaciją turinčių suaugusiųjų švietimui yra pernelyg sudėtingos ir brangios. Pati populiariausia ir labiausiai paplitusi 3D spausdinimo technologija yra lydžios masės modeliavimas (FDM). Be to, FDM yra labai paprasta pritaikyti suaugusiųjų švietimui. Taigi, šis modulis pagrindinį dėmesį skirs būtent FDM.

FDM spausdinimas prasideda nuo skaitmeninio 3D modelio, kuris yra padalinamas plonais sluoksniais. Spausdintuve užpildas yra perduodamas į ekstruderį, kuris sluoksnis po sluoksnio formuoja kiekvieną dalį. Šie ploni sluoksniai yra dengiami vienas ant kito, kol objektas yra baigtas.

FDM technologija. Šaltinis: http://ludoreng.com/

3D spausdinimo darbų eiga

3D spausdinimo procese paprastai naudojami kompiuteris, skaitmeninis 3D modelis, programinė įranga, 3D spausdintuvas ir žaliavos.

Pirmiausia, reikia atspausdinti objekto 3D modelį. Jis turi būti apdorojamas tam, kad būtų gaunamas failas, kurį gali nuskaityti 3D spausdintuvas. 3D modeliai paprastai konvertuojami į .stl tipo failus ir, naudojant „slicer“ programinę įrangą, .stl tipo failai padalinami į 2D brėžinius. „Slicer“ programinė įranga taip pat nustato 3D spausdinimo proceso parametrus ir galiausiai sukuria failą, kuriame yra visos reikiamos darbą atlikti 3D spausdintuvo instrukcijos. Šis failas (paprastai a .gcode tipo failas, kas reiškia failas, kuriame yra G kodų komandos. G-kodas yra skaitmeninio valdymo programavimo kalba, kurią supranta 3D spausdintuvai. G-kodą nuskaito 3D spausdintuvas, ir tada erdvėje dėliojamas medžiaga mažais sluoksniais, kol pagaminama norima dalis. Įprastinė 3D spausdinimo darbų eiga pavaizduota žemiau esančiame paveikslėlyje:

 Įprastinė 3D spausdinimo darbų eiga. Šaltinis: Ludor Engineering

3D spausdinimo modelių gavimas

Yra keli būdai gauti 3D modelį: 3D modeliavimas naudojant tinkamą programinę įrangą, 3D skenavimas arba parsisiuntimas iš specialios duomenų saugyklos internetu.

Yra daug programinių įrangų, kurių pagalba kuriami 3D modeliai. Jie gali būti pritaikyti ne tik profesionalams, bet ir pradedantiesiems. Be to, galima atrasti ir nemokamų modeliavimo programų. Keli jų pavyzdžiai pateikiami žemiau esančiame paveikslėlyje. Taip pat galima rasti ir nemažai mokymo išteklių bei mokomosios medžiagos. Visa tai gali būti ypač naudinga siekiant išmokti, kaip patiems sukurti savo 3D modelį. Norint sukurti savo objektus, 3D modeliavimas yra nepamainomas gebėjimas.

*Nemokama mokiniams ir edukatoriams

3D skenavimas yra yra greitas ir tikslus būdas perkelti fizinius objekto duomenis į kompiuterį skaitmeniniame formate naudojant 3D skenerį ar tinkamas programas turintį išmanųjį telefoną. 3D skenavimo programos yra paremtos fotogrametrija. Tai yra yra pasyvi technologija, pagrįsta vaizdais, kurie yra transformuojami iš 2D į 3D kartometrinius modelius. Kai kurios 3D skenavimo programos pateiktos žemiau matomoje lentelėje:

Paprasčiausias būdas gauti 3D spausdinimo modelį yra parsisiųsti jį į iš internetinių saugyklų. Dauguma šių modelių yra nemokami. Vienos geriausių tokių saugyklų pateiktos žemiau esančioje lentėje:

3D spausdinimui skirtos „slicer“ programinės įrangos

„Slicer“ (pjaustytuvai) yra programinės įrangos, kurios paima 3D modelį (dažniausiai .stl formatu), padalija jį į sluoksnius, suderina su 3D spausdintuvo nustatymais (temperatūra, sluoksnio aukštis, spausdinimo greitis ir t.t.) ir generuoja G kodo failą, kuriame yra visos instrukcijos, kaip spausdinti. Yra daug „slicer“programinių įrangų, kurių dauguma – nemokamos. Vienos populiariausių „slicer“ pateiktos žemiau esančioje lentelėje:

FDM 3D spausdintuvai

Pasirinkto plastiko gija paduodama ekstruderiu į kaitinimo galvutę, kuri išlydo plastiką iki reikiamos temperatūros, o tada jis yra dėliojamas ant plokštumos tam tikrais taškais ir taip suformuojamas 3D objektas. FDM gaminimo procese ektruderis gali judėti bet kuria ašimi iš trijų, arba dvejomis, arba viena, arba būti fiksuotoje pozicijoje. Analogiškai gamybos platforma gali būti fiksuotoje pozicijoje arba judėti nuo vienos iki trijų ašimis. Šis procesas demonstruojamas žemiau esančiame paveikslėlyje:

FDM procesas. Šaltinis: J.Gardan. Additive manufacturing technologies: state of the art and trends. International Journal of Production Research, 54(10):3118–3132, 2016.

Pagrindinės FDM 3D spausdintuvų dalys:

• Rėmas – kartu laiko visas 3D spausdintuvo dalis. Gali būti pagamintas iš metalo plokščių, aliuminio, plastiko, Gali netgi būti atspausdintas 3D spausdintuvu.
• Spausdinimo pagrindas – paviršius, ant kurio spausdinami objektai. Gali būti kaitinamas, kas yra labai naudinga savybė norint išvengti objekto deformacijų ar atšokimo nuo paviršiaus vykstant spausdinimo procesui.
• Ekstruderis – pagrindinė 3D spausdintuvo dalis. Ekstruderis susideda iš dviejų dalių: šaltosios ir karštosios. Šaltoji dalis yra radiatorius, kuris tvirtinamas ant vertikalaus tuščiavidurio sriegvaržčio. Taip perteklinė šiluminė energija yra išsklaidoma. Su karštąja dalimi į galvutę vertikaliai montuojamas tuščiaviduris sriegvaržtis, per kurį tiekiama pagalbinė medžiaga, kaitinama ir visiškai išlydoma žalvarinėje galvutėje, pro kurią jau dedama išlydyta medžiaga į reikiamas vietas.
• Galvutės judėjimo mechanika – yra keli tipai, o dažniausi jų:
  • „Cartesian“ – turi stačiakampius rėmus, kuriuose bet koks judėjimas gali vykti palei vieną iš trijų statmenų ašių: X, Y ar Z.
  • Delta – spausdintuvuose spausdinimo galvutė laikoma trijų „rankų“ trikampio formoje. Spausdinimo paviršius dažniausiai yra apvalus ir nejuda.
  • Poliariniai – naudoja poliarinę koordinačių sistemą, kur pozicija nustatoma pagal kampą ir ilgį.
  • Roboto ranka.
• Žingsniniai varikliai – naudojami tikslios padėties kontrolei.
• Elektroninės dalys: maitinimo šaltinis, motininė plokštė, žingsninės tvarkyklės, SD kortelės lizdas, vartotojo sąsaja.

Pagrindiniai FDM 3D spausdintuvų komponentai. Šaltinis: Ludor Engineering

• FDM 3D spausdintuvai gali būti skirstomi į dvi pagrindines grupes: pramoninius ir stalinius. Staliniai FDM 3D spausdintuvai tinkami prototipų gamybai ir mažiems gamybos kiekiams, kai tuo tarpu pramoniniai spausdintuvai naudojami visu pajėgumu veikiančių didelių kokybiškų dalių gamybai, kurioms būdingas didelis tikslumas ir aukštatemperatūrių savybės. Pagrindiniai skirtumai tarp stalinio ir pramoninio spausdintuvo yra su jomis siejamos išlaidos ir gamybos pajėgumai. Skirtumai matomi žemiau esančioje lentelėje:

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

Pramoninis FDM 3D spausdintuvas. Šaltinis: Ludor Engineering

Stalinis FDM 3D spausdintuvas. Šaltinis: Ludor Engineering

3D spausdinimo medžiagos

FDM 3D spausdinimui naudojama plona viela iš termoplastiko (plastikas, kuris lydosi kaitinamas ir kietėja kambario temperatūroje). Yra skirtingų spausdinimo medžiagų tipų, kuriems būdingi skirtingi dydžiai ir svoris. Du dažniausiai naudojami spausdinimo medžiagų diametrai: 1.75 mm (populiariausias) ir 3 mm/2.85 mm.

3D spausdinimo medžiaga, naudojama FDM. Šaltinis: Ludor Engineering

Yra daug spausdinimo medžiagų tipų, naudojamų FDM 3D spausdintuvuose. Populiariausi yra PLA ir ABS. PLA renkamasi dėl gerų savybių ir žemos kainos. ABS taip pat yra pigi bei gali būti naudojama gaminant funkcines dalis. Daugiau pastangų reikalaujančioms paskirtims gali būti naudojamos tokios medžiagos, kaip polikarbonatas (PC), nailonas ar PETG. PC yra pati tvirčiausia spausdinimo medžiaga. Ji yra itin patvari ir atspari karščiui, galinti atlaikyti iki 110° C temperatūrą. Ji taip pat yra ir gana lanksti. Nailonas yra kietas, lankstus ir tvirtas. Atspausdintos nailono dalys yra ne tokios trapios, kaip atspausdintos naudojant ABS ar PLA medžiagas. Jos yra 10 kartų tvirtesnės, todėl sunkiai lūžta ar trūkinėja. PET yra dažniausiai naudojamas plastikas pasaulyje. Jo tipai PETG ir PETT yra dažnai naudojami 3D spausdinime. PETG yra tvirta ir atspari temperatūrai medžiaga, dėl ko primena ABS. Be to, PETG dėl savo lengvo naudojimo primena PLA. Tuo tarpu PETT yra tvirta, skaidri ir saugi naudoti su maisto produktais.

Keletas ypatingų spausdinimo medžiagų tipų, tirpių vandenyje ar kituose skysčiuose, yra naudojamos kuriant atramines struktūras. Tokios medžiagos yra būtinos, kai atspausdintas gaminys turi išsikišusių ar ore besilaikančių dalių. Žemiau pateikiams tokių dalių pavyzdys:

Atraminės struktūros (raudona spalva) ir 3D technologija atspausdinta dalis (mėlyna spalva). Šaltinis: Ludor Engineering

Paprastai naudojamas du purkštukus turintis 3D spausdintuvas: vienas spausdina naudodamas įprastą spausdinimo medžiagą, o kitas spausdina atramines struktūras. Dalis, kuriai naudojama įprasta spausdinimo medžiaga, įstatoma į tirpstantį skystį, iki kol visos atramos ištirps. Tokios medžiagos yra PVA (vandenyje tirpstanti medžiaga, su PLA naudojama kaip pagalbinė priemonė) ir HIPS (tirpsta limonene, ir yra naudojama kaip pagalbinė ABS priemonė).

PVA, naudojama kaip pagalbinė priemonė. Šaltinis: filamentguide.net

Termoplastiniai elastomerai  (TPE) gali būti naudojami spausdinant lankstomus objektus, pavyzdžiui, avalynę ar pavaros diržus. TPU (termoplastinis poliuretanas ) yra vienas dažniausiai naudojamų TPE tipų.

3D spausdintuvu atspausdintas batas naudojant TPE. Šaltinis: Adidas

Sudėtinės spausdinimo medžiagos gaminamos iš polimerų, sustiprintų metalais, stiklu, anglimi, keramika ir t.t. Taip pat naudojamos su FDM.

PEEK ir PEI medžiagoms būdingas ypač didelis  mechaninis, terminis ir cheminis atsparumas, išlaikomas aukštoje temperatūroje. Vis dėlto, jos turi būti atspausdintos naudojant 3D technologiją su  didelius pajėgumus turinčiais 3D spausdintuvais (galinčiais pakelti virš 400 °C temperatūrą).

FDM būdinga didelė 3D spausdinimo medžiagų įvairovė gali būti skirstoma į tris pagrindines grupes: standartinė termoplastika, konstrukcinės medžiagos ir and didelio efektyvumo termoplastika.

FDM medžiagų piramidė. Source: Ludor Engineering

Dažniausiai 3D spausdinimui naudojamos FDM medžiagos:

3D spausdinimo privalumai ir iššūkiai

Svarbiausi 3D spausdinimo privalumai:

• Vieno žingsnio gamyba – kitaip, nei tradicinės technologijos, kurių gamybos procesą paprastai sudaro nemažai etapų, 3D spausdinimo metu objekto užbaigimui tereikia vieno žingsnio.
• Nereikia papildomų įrankių – 3D spausdinimo procesui nereikia liejimo formų, veržimo įtaisų ar kitų specialių įrankių norint pagaminti modelį ar jo dalis.
• Personalizavimas – kiekvienas gaminys gali būti individualiai pritaikytas priklausomai nuo poreikio be papildomų gamybos sąnaudų.
• Sudėtingumas ir dizaino laisvė – 3D spausdinimas leidžia kurti sudėtingas formas ir dalis, kurių neįmanoma būtų pagaminti įprastiniu gamybos būdu.
• Spausdinimas pagal užsakymus – objektai ar jų dalys gali būti gaminami tik tada, kai jų reikia. Dėl to sumažintos sandėliavimo ir darbo laiko sąnaudos.
• Greita gamyba – vienas iš 3D spausdinimo privalumų lyginant su tradicinės gamybos būdais yra gamybos greitis. Sudėtingus modelius galima atspausdinti per palyginus trumpą laiką.
• Mažiau atliekų – daugelyje procesų naudojamos medžiagos, kurios gali būti perdirbamos arba pakartotinai naudojamos daugiau nei vieną kartą. Dėl to adityviosios gamybos procese lieka labai mažai atliekų.

Vis dėlto, 3D spausdinimas susiduria ir su atitinkamais iššūkiais:

• Didesnės išlaidos didelės gamybos apimtims – spausdintuvų ir žaliavų kaina vis dar brangi, tačiau ateityje šios išlaidos turėtų mažėti
• Ribotas medžiagų, spalvų, apdailos pasirinkimas – vis dar yra tam tikrų apribojimų, lyginant su įprastomis produktų medžiagomis, spalvomis ir apdaila
• Ribotas stiprumas ir patvarumas – ne visos spausdinimo technologijos gali užtikrinti pagamintų objektų stiprumą, o stiprumas nėra tolygus dėl sluoksniavimo proceso
• Spausdintų objektų tikslumas – jei reikia spausdinti tikslias detales ar smulkesnes detales – vis dar sunku užtikrinti tam tikrų gamybos procesų aukštą tikslumą
• Dauguma 3D spausdintuvų yra riboto greičio ir dydžio.

Pagrindinės 3D spausdinimo pritaikymo sritys

3D spausdinimas yra labai paprastas, lengvai prieinamas ir greitas prototipų gaminimo būdas.

Prototipas, pagamintas su 3D spausdinimo technologija. Šaltinis: Ludor Engineering

Spausdinant su 3D spausdintuvais, ypač FDM, galima už mažą kainą ir greitai pagaminti protezus:

3D spausdintuvu atspausdinta ranka. Šaltinis: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand, CC BY-SA 4.0

FDM 3D spausdintuvai naudojami visų lygių ugdyme: nuo darželio iki suaugusiųjų švietimo.

3D technologija atspausdinta roboto ranka, naudojama mokymo tikslais. Šaltinis: Ludor Engineering

Palyginus su tradicinėmis technologijomis, 3D spausdintuvais atspausdinti architektūriniai modeliai gali būti daug greičiau pagaminti už žemesnę kainą.

3D spausdintuvu atspausdintas architektūrinis modelis. Šaltinis: Ludor Engineering

FDM tipo spausdintuvai gali pagaminti tvirtas funkcines dalis įvairioms pramonės veiklos sritims ar namų ūkiui.

3D spausdinimo technologija atspausdinta funkcinė detalė. Šaltinis: Ludor Engineering

FDM tipo spausdintuvai tinkami pramonėms veiklos sritims ir namų ūkiui. Į buitinės paskirties reikmenis įeina objektų gaminimas bei dalių ir įrankių, reikalingų namuose, taisymas.

Buitinis prietaisas, pagamintas 3D spausdintuvu. Šaltinis: Ludor Engineering