Podstawy druku 3D

3D Druk 3D (znany również jako produkcja addytywna) jest procesem wytwarzania fizycznych obiektów 3D z pliku cyfrowego poprzez sukcesywne dodawanie warstw materiału za pomocą drukarki 3D. Dzięki zastosowaniu procesu addytywnego, 3DP jest przeciwieństwem konwencjonalnych metod produkcji subtrakcyjnej, gdzie materiał jest sukcesywnie odcinany od bryły. Różnica pomiędzy procesem subtrakcyjnym a addytywnym została przedstawiona na poniższym rysunku.

Proces subtrakcyjny (na górze) vs. proces addytywny. Źródło: http://ludoreng.com/

Dostępne technologie druku 3D

Obecnie dostępnych jest wiele technologii 3DP, wykorzystujących różne rodzaje materiałów (stałe arkusze, filamenty, granulki), ciekłe, proszkowe, zawiesiny) i różne podejścia.

Stereolitografia (SLA) tworzy obiekty poprzez selektywne utwardzanie żywicy warstwa po warstwie za pomocą źródła światła (lasera lub projektora). Cyfrowe przetwarzanie światła (DLP) jest bardzo podobne do SLA, z tą różnicą, że DLP wykorzystuje cyfrowy projektor światła do wyświetlania pojedynczego obrazu każdej warstwy jednocześnie. Selektywne spiekanie laserowe (SLS) wykorzystuje laser, który selektywnie indukuje fuzję pomiędzy cząsteczkami proszku wewnątrz obszaru budowania w celu stworzenia stałego obiektu. Istnieje wiele innych technologii 3DP i wciąż rozwijane są nowe.

Jednak większość z nich jest zbyt skomplikowana i zbyt droga, aby można je było uwzględnić w  edukacji osób dorosłych o niskich kwalifikacjach. Najpopularniejszą i najbardziej przystępną technologią 3DP jest Fused Deposition Modelling (FDM). Ponadto, FDM jest łatwy w użyciu i bardzo odpowiedni dla edukacji dorosłych. W związku z tym, niniejszy moduł będzie koncentrował się na FDM.

FDM nakłada kolejne warstwy materiału w wysokich temperaturach, pozwalając sąsiednim warstwom ostygnąć i połączyć się ze sobą przed nałożeniem kolejnej warstwy.

Technologia FDM. Źródło: http://ludoreng.com/

Przepływ pracy 3DP

3DP zazwyczaj wymaga użycia komputera, cyfrowego modelu 3D, oprogramowania do przygotowania modelu 3D, drukarki 3D i surowca.

Najpierw potrzebny jest model 3D obiektu, który ma być wydrukowany. Ten musi być przetworzony w celu uzyskania pliku, który może być użyty przez drukarkę 3D. Zazwyczaj oznacza to konwersję modelu 3D w pliku .stl, jeśli to konieczne, i krojenie pliku .stl na zestaw sekcji 2D za pomocą oprogramowania slicer. Oprogramowanie slicera ustawia również parametry procesu druku 3D, a na koniec generuje plik zawierający wszystkie instrukcje potrzebne drukarce 3D do wykonania zadania. Plik ten (zazwyczaj plik .gcode, czyli plik zawierający komendy w G-Code, który jest językiem czytanym przez drukarki 3D) jest podawany do drukarki 3D, która następnie układa kolejne warstwy stopionego materiału, aby wyprodukować część. Typowy przepływ pracy 3DP jest przedstawiony na poniższym rysunku.

Typowy przepływ pracy w druku 3D. Źródło: Ludor Engineering

Uzyskiwanie modeli 3DP

Istnieje kilka sposobów pozyskania modelu 3D do 3DP: poprzez modelowanie 3D przy użyciu odpowiedniego oprogramowania, skanowanie 3D lub pobranie go z wyspecjalizowanego repozytorium online.

Istnieje wiele programów dostępnych do tworzenia modeli 3D, w tym kilka darmowych, dla wszystkich poziomów zaawansowania, od początkującego do profesjonalisty. Niektóre z nich są podane w poniższej tabeli. Ponadto, istnieje wiele zasobów edukacyjnych i samouczków, które można wykorzystać do nauki tworzenia własnych modeli 3D. Modelowanie 3D jest niezbędną umiejętnością, gdy chcesz tworzyć własne obiekty.

* Bezpłatne dla uczniów i nauczycieli

Skanowanie 3D to metoda służąca do uchwycenia kształtu obiektu za pomocą skanera 3D lub smartfona z odpowiednią aplikacją. Aplikacje do skanowania 3D są oparte na fotogrametrii, technologii, która tworzy modele 3D ze zdjęć 2D wykonanych pod różnymi kątami, które są następnie „zszywane” razem przez oprogramowanie. Niektóre aplikacje do skanowania 3D są podane w  poniższej tabeli.

Najprostszym sposobem na uzyskanie modelu 3D do 3DP jest pobranie go z jednego z wielu dostępnych repozytoriów online. Wiele z tych modeli jest darmowych. Niektóre z najlepszych takich repozytoriów są podane w poniższej tabeli.

Oprogramowanie slicerowe do druku 3D

Slicery to programy, które pobierają model 3D (najczęściej w formacie .stl), dzielą go na wiele warstw, wprowadzają ustawienia drukarki 3D (jak temperatura, wysokość warstwy, prędkość wydruku, itp.) i generują plik G-code, który dostarcza wskazówek potrzebnych drukarce 3D do wykonania obiektu. Istnieje wiele dostępnych slicerów i większość z nich jest darmowa. Niektóre z  najbardziej popularnych slicerów są podane w poniższej tabeli.

Drukarki 3D w technologii FDM

Drukarka 3D FDM używa ciągłego filamentu, który jest podawany przez mechanizm zębaty do grzałki, która go podgrzewa i topi. Następnie roztopiony filament jest wyrzucany z dyszy na łoże drukujące w  żądanej geometrii. Po każdej warstwie łoże drukujące (lub dysza) przesuwa się w osi pionowej i  dodawana jest kolejna warstwa, aż do momentu, gdy obiekt zostanie całkowicie wydrukowany 3D. Proces ten jest przedstawiony na poniższym rysunku.

FDM proces. Źródło: Ludor Engineering

Głównymi elementami drukarki 3D pracującej w technologii FDM są:

• Rama – utrzymuje wszystkie inne części drukarki 3D razem. Może być wykonana z blachy, aluminium, plastiku, sklejki lub nawet drukowana 3D.
• Podłoże drukowe – powierzchnia, na której drukowane są obiekty. Może być podgrzewane, co jest bardzo przydatną cechą pozwalającą uniknąć odkształcania i odrywania się obiektów od podłoża podczas procesu drukowania.
• Ekstruder – niezbędna część składająca się z dwóch części: zimnego końca z silnikiem, który wciąga i przepycha filament oraz gorącego końca, w którym filament jest topiony i wyrzucany na zewnątrz.
• Mechanika ruchu głowy – istnieje kilka rodzajów, najczęściej spotykane to:
  • Kartezjański – drukarki posiadają prostokątną ramę, w której każdy ruch może odbywać się wzdłuż jednej z trzech prostopadłych osi: X, Y lub Z.
  • Delta – ekstruder jest utrzymywany przez trzy ramiona w trójkątnej konfiguracji, a  łoże drukujące jest zazwyczaj okrągłe i nie porusza się.
  • Biegunowy – użyj biegunowego układu współrzędnych, gdzie położenie jest określone przez kąt i długość.
  • Ramię robotyczne.
• Silniki krokowe – używane do precyzyjnego sterowania położeniem.
• Elementy elektryczne: zasilacz, płyta główna, sterowniki krokowe, gniazdo karty SD, interfejs użytkownika.

Główne elementy składowe drukarki 3D pracującej w technologii FDM. Źródło: Ludor Engineering

• Drukarki 3D FDM można podzielić na dwie główne grupy: przemysłowe i biurkowe drukarki 3D. Desktopowe drukarki 3D FDM są odpowiednie do prototypowania i produkcji niskoseryjnej, podczas gdy te przemysłowe są stosowane do w pełni funkcjonalnych części wysokiej jakości, o dużych rozmiarach, wysokiej dokładności i podwyższonych właściwościach materiałowych. Główne różnice pomiędzy drukarkami biurkowymi i przemysłowymi to związane z tym koszty i możliwości produkcyjne, jak widać w poniższej tabeli.

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

Przemysłowa drukarka 3D pracująca w technologii FDM. Źródło: Ludor Engineering

Desktopowa drukarka 3D typu FDM. Źródło: Ludor Engineering

Materiały 3DP

FDM 3DP wykorzystuje ciągłe włókno termoplastyczne, materiał, który topi się po podgrzaniu w  określonej temperaturze i krzepnie po schłodzeniu. Włókna występują w różnych rodzajach, zwykle na szpulach o różnych rozmiarach i wadze. Powszechnie stosowane są dwie średnice włókien: 1,75 mm (najpopularniejsza) i 3 mm/2,85 mm.

Filament do druku 3D wykorzystywany w technologii FDM. Źródło: Ludor Engineering

Istnieje wiele rodzajów filamentów, które mogą być używane przez drukarki 3D FDM. Najpopularniejsze z nich to PLA i ABS. PLA jest najczęściej wybieranym filamentem do hobbystycznego 3DP ze względu na swoje dobre właściwości i niską cenę. ABS jest również tani i  może być używany do produkcji funkcjonalnych części. Do bardziej wymagających zastosowań można użyć materiałów takich jak Poliwęglan (PC), Nylon i PETG. PC jest przydatny do zastosowań w  wysokich temperaturach i jest mocniejszy niż PLA i ABS, ale jednocześnie elastyczny. Nylon oferuje wysoką elastyczność i dużą wytrzymałość, a jednocześnie jest niezwykle lekki. Wydrukowane części z  nylonu nie są tak kruche jak te wydrukowane z ABS lub PLA, więc mogą być 10 razy mocniejsze bez pękania lub łamania. PET jest najczęściej stosowanym tworzywem sztucznym na świecie, a jego odmiany PETG i PETT są często wykorzystywane w 3DP.  PETG łączy w sobie wytrzymałość, odporność na temperaturę i trwałość ABS z łatwością użycia PLA, podczas gdy PETT jest mocny i może być bezpieczny dla żywności i przezroczysty.

Niektóre specjalne rodzaje filamentów, rozpuszczalne w wodzie lub innej substancji, są używane do tworzenia struktur podporowych, które są niezbędne, gdy drukowana część ma zwisy lub elementy zawieszone w powietrzu, jak w przykładzie z poniższego zdjęcia.

Struktury nośne (na czerwono) i część wydrukowana 3D (na niebiesko). Źródło: Ludor Engineering

Drukarka 3D z dwoma dyszami jest zwykle używana, jedna drukuje część z normalnym filamentem, a  druga drukuje struktury wspierające. Część jest następnie umieszczana w substancji rozpuszczającej, aż wszystkie podpory zostaną rozpuszczone. Takimi materiałami są PVA (materiał rozpuszczalny w wodzie, używany jako podpora z materiałem PLA) i HIPS (który rozpuszcza się w  roztworze limonenu i jest używany jako podpora z materiałem ABS).

PVA użyty jako podpora. Źródło: filamentguide.net

Elastomery termoplastyczne (TPE) mogą być wykorzystywane do drukowania 3D elastycznych obiektów, takich jak obuwie czy pasy napędowe. TPU (Termoplastyczny Poliuretan) jest jednym z  najczęściej używanych typów TPE.

Obuwie drukowane 3D z TPE. Źródło: Adidas

W FDM stosowane są również włókna kompozytowe z polimerów wzmacniane metalami, szkłem, węglem, ceramiką itp.

PEEK i PEI to materiały o wyjątkowo wysokich właściwościach mechanicznych, termicznych i  odporności chemicznej, które utrzymują się w wysokich temperaturach. Muszą być one jednak drukowane na drukarkach 3D o dużych możliwościach (zdolnych do pracy w temperaturach powyżej 400 °C).

Szeroką gamę filamentów dostępnych w FDM można podzielić na 3 główne grupy: standardowe termoplasty, materiały inżynierskie oraz wysokowydajne termoplasty.

Piramida materiałów stosowanych w technologii FDM. Źródło: Ludor Engineering

Najpopularniejsze materiały FDM są w 3DP zestawione w poniższej tabeli wraz z kilkoma wskazówkami na temat ich charakterystyki.

Zalety i ograniczenia 3DP

3DP ma kilka ważnych zalet:

• Produkcja w jednym etapie – w przeciwieństwie do tradycyjnych technologii, które zazwyczaj wymagają dużej liczby etapów produkcji, 3DP wytwarza część w jednym etapie.
• Brak konieczności stosowania oprzyrządowania – 3DP nie wymaga form, przyrządów ani innego oprzyrządowania i dlatego jest bardzo wygodne w produkcji unikalnych części lub małych partii.
• Efektywne dostosowanie – dostosowanie produktu za pomocą 3DP wymaga jedynie modyfikacji jego pliku 3D, dzięki czemu praktycznie nie ma dodatkowych kosztów.
• Swoboda projektowania i złożoność – bardzo złożone kształty i geometrie, czasami niemożliwe lub bardzo kosztowne do osiągnięcia innymi metodami, mogą być uzyskane za pomocą 3DP.
• Drukowanie na żądanie – poprzez przechowywanie cyfrowych modeli 3D części i drukowanie ich tylko wtedy, gdy są potrzebne, przestrzeń potrzebna do przechowywania zapasów i  koszty są zredukowane.
• Szybkość produkcji – w zależności od projektu i złożoności części, znacznie szybciej jest ją wydrukować 3D niż uzyskać poprzez obróbkę skrawaniem lub formowanie.
• Minimalizacja odpadów – jako technologia addytywna, 3DP produkuje niewiele lub nie produkuje żadnych odpadów.

Jednakże 3DP ma również ograniczenia:

• Zmniejszony zakres materiałów, które mogą być drukowane 3D – są to głównie tworzywa sztuczne.
• Ograniczony rozmiar części, które mogą być produkowane przez drukarki 3D.
• Drogie, dla dużych ilości produkcji – koszt jednej części drukowanej 3D pozostaje stały niezależnie od ilości wyprodukowanych części, podczas gdy dla tradycyjnych metod produkcji koszt jednostkowy spada wraz ze wzrostem nakładu produkcyjnego. W konsekwencji, 3DP może być bardziej ekonomiczne dla małych partii, ale droższe w miarę wzrostu produkcji.
• Niska wytrzymałość i trwałość – części drukowane 3D są często słabsze niż ich tradycyjnie produkowane odpowiedniki.
• Niska dokładność i niska jakość powierzchni.
• Drukarki 3D są powolne.

Aplikacje 3DP

3DP jest bardzo łatwą, przystępną i szybką metodą produkcji prototypów, pozwalającą na szybszy rozwój produktów.

Prototyp wykonany przy użyciu 3DP. Źródło: Ludor Engineering

3DP, zwłaszcza FDM, może produkować protezy przy niskich kosztach i w krótkim czasie.

Ręka wydrukowana w 3D. Źródło: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand, CC BY-SA 4.0

Drukarki 3D FDM są wykorzystywane w edukacji, na wszystkich poziomach, od przedszkoli do edukacji dorosłych.

Drukowana w 3D ręka robota do celów edukacyjnych. Źródło: Ludor Engineering

Modele architektoniczne drukowane w 3D mogą być szybko produkowane przy ułamku kosztów wymaganych przez tradycyjne techniki.

Wydrukowany w 3D model architektoniczny. Źródło: Ludor Engineering

FDM może produkować wytrzymałe i funkcjonalne części do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych i domowych.

Wydrukowana w 3D część funkcjonalna. Źródło: Ludor Engineering

FDM nadaje się zarówno do zastosowań przemysłowych jak i domowych. Zastosowania domowe obejmują tworzenie przedmiotów, części do napraw i narzędzi potrzebnych w domu.

Narzędzie domowe wykonane w technologii 3DP. Źródło: Ludor Engineering