Bazele imprimării 3D

Imprimarea 3D (cunoscută și ca Fabricație Aditivă) este procesul de realizare a obiectelor fizice tridimensionale dintr-un fișier digital prin adăugarea succesivă a straturilor de material, cu ajutorul unei imprimante 3D. Prin utilizarea unui proces aditiv, imprimarea 3D este opusul metodelor convenționale de producție substractivă, în care materialul este tăiat succesiv dintr-un bloc solid. Diferența dintre un proces substractiv și unul aditiv este schematizată în imaginea de mai jos.

Un proces substractiv (în partea de sus) și un proces aditiv. Sursa: http://ludoreng.com/

Tehnologii de imprimare 3D disponibile

În prezent, există multe tehnologii 3DP disponibile, care utilizează diverse tipuri de material (solid (tablă, filament, pelete), lichid, pulbere, suspensie) și abordări diferite.

Stereolitografia (SLA) creează obiecte prin întărirea selectivă, strat peste strat, a unei rășini speciale, folosind o sursă de lumină (un laser sau un proiector). Procesarea Digitală a Luminii (DLP) este foarte asemănătoare cu SLA, cu excepția faptului că DLP folosește un proiector digital pentru a proiecta lumină, simultan, o singură dată, asupra fiecărui strat. Sinterizarea Laser Selectivă (SLS) utilizează un laser care produce, în mod selectiv,  fuziunea dintre particulele de pulbere din interiorul zonei de lucru pentru a crea un obiect solid. Există multe alte tehnologii 3DP și noi metode sunt încă în stadiu de dezvoltare.

Din păcate, multe din aceste tehnologii sunt prea complicate și prea costisitoare pentru a fi luate în considerare în educația adulților slab calificați. Cea mai populară și accesibilă tehnologie 3DP este  Fused Deposition Modelling (FDM). În plus, FDM e ușor de utilizat și foarte potrivită pentru educația adulților. În consecință, acest modul se va concentra asupra FDM.

FDM depune straturi consecutive de material la temperaturi ridicate, permițând straturilor adiacente să se lipească și să se răcească înainte de depunerea următorului strat.

FDM technology. Source: http://ludoreng.com/

Fluxul de lucru 3DP

3DP implică în mod normal utilizarea unui computer, a unui model 3D digital, a unui software pentru pregătirea modelului 3D, a unei imprimante 3D și a materiei prime.

În primul rând este necesar modelul 3D al obiectului care urmează să fie printat. Acesta trebuie procesat pentru a obține un fișier care poate fi utilizat de imprimanta 3D. De obicei, acest lucru înseamnă convertirea modelului 3D într-un fișier .stl (dacă este necesar) și slicing-ul, adică divizarea fișierului .stl într-un set de secțiuni 2D folosind un software de tip slicer. Software-ul slicer setează, de asemenea, parametrii procesului de imprimare 3D și, la sfârșit, generează un fișier care conține toate instrucțiunile necesare imprimantei 3D pentru a executa imprimarea. Acest fișier (de obicei un fișier .gcode, adică un fișier care conține comenzi în G-Code, un limbaj ce poate fi citit de imprimantele 3D) este transmis imprimantei 3D care va depune straturi succesive de material topit pentru realizarea piesei dorite. Un flux de lucru tipic 3DP este schematizat în imaginea de mai jos.

Flux de lucru tipic pentru imprimarea 3D. Sursa: Ludor Engineering

Obținerea modelelor 3DP

Există mai multe modalități de a obține un model 3D pentru 3DP: prin modelarea 3D folosind un software adecvat, prin scanare 3D sau prin descărcarea modelului dintr-o arhivă online specializată.

Există multe software-uri disponibile pentru crearea de modele 3D, inclusive unele gratuite, pentru toate nivelurile, de la începători la profesioniști. Unele dintre acestea sunt prezentate în tabelul de mai jos. În plus, există și o mulțime de resurse educaționale și tutoriale care pot fi utilizate pentru a învăța cum să vă creați propriile modele 3D. Modelarea 3D este o abilitate indispensabilă atunci când doriți să vă creați propriile obiecte.

*Gratuit pentru studenți și profesori

Scanarea 3D e o metodă folosită pentru a capta forma unui obiect folosind un scanner 3D sau un  smartphone cu o aplicație adecvată. Aplicațiile de scanare 3D se bazează pe  fotogrametrie, o tehnologie care creează modele 3D din fotografii 2D realizate din diferite unghiuri, care sunt apoi “lipite” împreună de un software. Unele aplicații de scanare 3D sunt date în tabelul de mai jos.

The simplest way to obtain a 3D model for 3DP is to download it from one of the many available online repositories. Many of these models are free. Some of the best such repositories are given in the table below.

Sofware-uri slicer folosite în 3DP

Slicer-ele sunt software-uri care iau modelul 3D (cel mai adesea în format .stl), îl împart în mai multe straturi, includ setări ale imprimantei 3D (cum ar fi temperatura, înălțimea stratului, viteza de imprimare etc.) și generează fișierul G-code care oferă imprimantei 3D indicațiile de care are nevoie pentru realizarea obiectului 3D. Există multe slicer-e disponibile și majoritatea sunt gratuite. Unele dintre cele mai populare sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Imprimante 3D FDM

O imprimantă 3D FDM folosește un filament continuu, care este introdus printr-un mecanism cu roți dințate într-un încălzitor care-l încălzește și-l topește. Apoi, filamentul topit este ejectat din duză și depus pe masa de imprimare, în geometria dorită. După fiecare strat, masa de imprimare (sau duza) se deplasează pe direcția verticală și se adaugă următorul strat, până când obiectul este complet imprimat 3D. Procesul este schematizat în figura de mai jos.

FDM process. Source: Ludor Engineering

Proces FDM. Sursa: Ludor Engineering

Principalele componente ale unei imprimante 3D FDM sunt:

• Cadrul – ține toate celelalte părți ale imprimantei 3D împreună. Poate fi din tablă, aluminiu, plastic, placaj sau chiar printat 3D.
• Masa de imprimare – suprafața pe care sunt printate obiectele. Poate fi încălzită, ceea ce reprezintă o caracteristică foarte utilă pentru evitarea deformării obiectelor și a desprinderii acestora de pe mesă în timpul procesului de imprimare.
• Extruder – o component esențială ce are două părți: zona rece (cold end) cu motor, care trage filamentul în interior și îl împinge mai departe, și capul termic (hotend), unde filamentul este topit și apoi ejectat.
• Mecanica mișcării capului – există mai multe tipuri, cele mai frecvente fiind:
  • Cartezian – imprimantele au cadru dreptunghiular în care orice deplasare se face de-a lungul uneia dintre cele 3 axe perpendiculare: X, Y sau Z.
  • Delta – extruderul este ținut de trei brațe într-o configurație triunghiulară, iar masa de printare este de obicei circulară și nu se mișcă.
  • Polar – se folosește un sistem de coordonate polare, unde poziționarea este determinată de un unghi și o lungime.
  • Braț robotic.
• Motoare pas-cu-pas – utilizate pentru controlul precis al poziției
• Componente electrice: sursa de alimentare, placă de bază, drivere motoare pas-cu-pas, slot pentru card SD, interfață utilizator.

Componentele principale ale unei imprimante 3D FDM. Sursă: Ludor Engineering

Imprimantele 3D FDM pot fi clasificate în două grupe principale: imprimante 3D industriale și imprimante 3D Desktop. Imprimantele 3D Desktop FDM sunt bune pentru prototipare și producție de volum redus,  în timp de imprimantele industriale sunt folosite pentru producerea pieselor complet funcționale de înaltă calitate, cu dimensiuni mari, precizie ridicată și din materiale cu caracteristici superioare. Principalele diferențe dintre imprimantele Desktop și cele  industriale sunt costurile asociate și capacitățile de producție, după cum se poate observa în tabelul de mai jos.

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

Imprimantă 3D FDM industrială. Sursa: Ludor Engineering

Imprimantă 3D FDM Desktop. Sursa: Ludor Engineering

Materiale 3DP

FDM 3DP folosește un filament continuu de termoplastic, un material care se topește atunci când este încălzit la o anumită temperatură și se solidifică când se răcește. Filamentele sunt livrate de obicei în bobine de diverse dimensiuni și greutăți. În mod normal, se folosesc două diametre de filament: 1,75 mm (cel mai popular) și 3 mm/2,85 mm.

Filament pentru imprimare 3D utilizat în FDM. Sursa: Ludor Engineering

Există mai multe tipuri de filament care pot fi utilizate de imprimantele 3D FDM. Cele mai populare sunt PLA și ABS. PLA este filamentul preferat pentru imprimarea 3D ca hobby, datorită caracteristicilor sale bune și a prețului scăzut. ABS este, de asemenea, ieftin și poate fi utilizat pentru fabricarea pieselor funcționale. Pentru aplicații mai pretențioase se pot folosi materiale precum Policarbonat (PC), Nylon și PETG. PC este util pentru aplicații ce necesită temperaturi ridicate, este mai puternic decât PLA și ABS, dar totuși flexibil. Nylon-ul oferă flexibilitate ridicată și rezistență mare, fiind în același timp extrem de ușor. Piesele imprimate din Nylon nu sunt la fel de fragile precum cele din ABS sau PLA, astfel încât pot fi de 10 ori mai rezistente, fără a crăpa sau a se rupe. PET este plasticul cel mai des utilizat în lume, iar variantele sale PETG și PETT sunt adesea folosite în 3DP.  PETG combină rezistența mecanică, rezistența la temperatură și durabilitatea ABS-ului cu ușurința de utilizare a PLA-ului, în timp ce PETT este rezistent, poate fi transparent și sigur pentru contactul cu alimente.

Unele tipuri speciale de filament, solubil în apă sau alte substanțe, sunt utilizate pentru crearea structurilor de suport necesare atunci când piesa imprimată are proeminențe sau părți suspendate în aer, ca în exemplul din imaginea de mai jos.

Structură suport (cu roșu) și piesa imprimată 3D (cu albastru). Sursa: Ludor Engineering

De obicei se folosește o imprimată 3D cu două duze, una printând piesa cu filament normal, iar cea de-a doua printează structura suport. Piesa este pusă apoi în substanța de dizolvare și ținută acolo până când toată structura suport se dizolvă. Astfel de materiale sunt PVA (material solubil în apă, utilizat ca suport cu material PLA) și HIPS (care se dizolvă în soluție Limonene și se folosește ca suport cu material ABS).

PVA utilizat ca suport. Sursa: filamentguide.net

Elastomerii termoplastici (TPE) pot fi folosiți pentru a imprima 3D obiecte flexibile, cum ar fi încălțămintea sau curelele de transmisie. TPU (Poliuretan Termoplastic) este unul din cele mai utilizate tipuri de TPE.

Încălțăminte imprimată 3D din TPE. Sursa: Adidas

Filamentele compozite realizate din polimeri ranforsați cu metale, sticlă, carbon, ceramică etc. sunt, de asemenea, utilizate în FDM.

PEEK și PEI sunt materiale cu excepționale proprietăți mecanice, termice și chimice, care se mențin și la temperaturi ridicate. Însă, acestea pot fi imprimate doar de imprimante 3D cu performanțe ridicate (capabile să lucreze cu temperaturi de peste 400 °C).

Gama largă de filamente disponibile în FDM poate fi împărțită în 3 grupe principale: termoplastice standard, materiale pentru aplicații profesionale și termoplastice de înaltă performanță.

Piramida materialelor FDM. Sursa: Ludor Engineering

Cele mai frecvente materiale FDM folosite în 3DP sunt prezentate în tabelul de mai jos, împreună cu unele indicații despre caracteristicile lor.

3DP – avantaje și limitări

3DP are câteva avantaje importante:

• Fabricarea într-un singur pas – spre deosebire de tehnologiile tradiționale care necesită, de obicei, un număr mare de stadii de fabricație pentru producerea unei piese, 3DP realizează acest lucru într-o singură etapă.
• Ne este nevoie de pregătire de fabricație – 3DP nu are nevoie de matrițe, dispozitive sau alte scule speciale și, prin urmare, este foarte convenabilă pentru producția de piese unicat sau în serie mică.
• Personalizare eficientă – personalizarea unui produs obținut prin 3DP necesită doar modificarea fișierului său 3D, astfel încât practic nu există costuri suplimentare.
• Libertatea designului și a complexității – prin 3DP pot fi obținute forme și geometrii foarte complexe, uneori imposibil sau foarte costisitor de realizat prin alte metode
• Imprimare la cerere – stocând modelele 3D digitale ale pieselor și imprimându-le 3D numai atunci când este necesar, spațiul necesar pentru stocare și costurile sunt reduse.
• Producție rapidă – în funcție de designul și complexitatea unei piese, aceasta poate fi mult mai rapid obținută prin imprimare 3D decât prin prelucrare sau modelare.
• Reducerea la minimum a deșeurilor – ca tehnologie aditivă, 3DP produce deșeuri puține sau chiar deloc.

Totuși, 3DP are și limitări:

• Gamă redusă de materiale cu care se poate face imprimare 3D – sunt în mare parte materiale plastice.
• Dimensiunea limitată a pieselor pe care le pot produce imprimantele 3D.
• Costisitor pentru volume mari de fabricație – costul pe piesă imprimată 3D rămâne constant, indiferent de numărul de piese produse, în timp ce pentru metodele de fabricație tradiționale costul unitar scade odată cu creșterea producției. În consecință, 3DP poate fi mai economică pentru un lot mic, dar mai scumpă pe măsură ce lotul de producție crește.
• Putere și rezistență reduse – piesele imprimate 3D sunt adesea mai slabe decât echivalentele lor fabricate în mod tradițional.
• Precizie scăzută și calitate redusă a suprafeței.
• Imprimantele 3D sunt lente.

Aplicații 3DP

3DP este o metodă foarte simplă, accesibilă și rapidă pentru producerea prototipurilor, permițând astfel o dezvoltare mai rapidă a produselor.

Un prototip realizat prin 3DP. Sursa: Ludor Engineering

3DP, în special FDM, poate produce proteze la costuri reduse și într-un timp scurt.

Proteză de mână, imprimată 3D. Sursa: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand, CC BY-SA 4.0

Imprimantele 3D FDM sunt utilizate în educație, la toate nivelurile, de la grădiniță la educația adulților.

Mână robotică imprimată 3D pentru scopuri educaționale. Sursa: Ludor Engineering

Modelele arhitecturale imprimate 3D pot fi produse rapid la costuri mult mai mici față de cele aferente tehnicilor tradiționale.

Model arhitectural imprimat 3D. Sursa: Ludor Engineering

FDM poate produce piese rezistente și funcționale pentru o gamă largă de utilizări industriale și casnice.

Piesă funcțională imprimată 3D. Sursa: Ludor Engineering

FDM este potrivit atât pentru uz industrial, cât și pentru uz casnic. Aplicațiile casnice includ crearea de obiecte, piese de schimb și instrumente utile acasă.

Instrument realizat prin 3DP. Sursa: Ludor Engineering