Trójwymiarowy druk cyfrowy – techniki i możliwości zastosowania

160

Wśród haseł budujących ideę Czwartej Rewolucji Przemysłowej bardzo często mówi się o Produkcji Addytywnej. Głównym przedstawicielem tego trendu jest druk 3D.

Technologia umożliwiająca niespotykane dotąd możliwości personalizacji produkowanych przez nas wyrobów obejmuje liczne metody i materiały. Krótki przegląd możliwości zaprezentowano w poniższym artykule.

Wstęp

Jeszcze kilka lat temu drukarki 3D były bardzo drogimi i trudno dostępnymi urządzeniami. Dostępne materiały ograniczały się do bardzo wąskiego zakresu tworzyw sztucznych i żywic. Właściwości fizyczne tych materiałów nie pozwalały na szerokie zastosowanie produkcyjne tej technologii (a zwykle ograniczały się do tworzenia prototypów, dla których ważne były jedynie fizyczne wymiary). Na szczęście są to czasy słusznie minione. W dniu tworzenia tego artykułu najtańsza drukarka 3D w największym polskim serwisie sprzedaży internetowej kosztuje niecałe 600 złotych, a wybór materiałów do druku (filamentów) stanowi kilkadziesiąt tysięcy pozycji.

Drukowanie przestrzenne jako metoda produkcji addytywnej zostało zaprezentowane już w 1984 roku przez Chucka Hulla. Pierwszą opatentowaną metodą wytwarzania produktów w tej technologii była stereolitografia (SLA). Najpopularniejsze dzisiaj sposobem druku 3D jest osadzanie topionego materiału (FDM).

Szeroki rozwój tej dziedziny może powodować trudności z doborem techniki druku – zależnej od pożądanych właściwości fizycznych drukowanego obiektu, jego rozmiarów, precyzji wykonania itp. Inne rozwiązania stosuje się przy drukach prototypowych (jednostkowych), a inne w produkcji quazi-seryjnej.

W dalszej części artykułu zaprezentowano następujące metody druku 3D:

  • FDM (ang. FusedDepositionModelling) – termoplastyczny materiał wyciskany przez dysze.
  • MJP (ang. Multi Jet Printing) – napylany cienkimi warstwami fotopolimer utwardzany światłem UV.
  • CJP (ang. Color Jet Printing) – gipsowy proszek barwiony tuszem (druk 3D w kolorach).
  • SLS (ang. Selective Laser Sintering) – cienkie warstwy proszku budulcowego stapiane laserem.
  • DMLS (ang. Direct Metal Laser Sintering) – proszki metali topione laserem dużej mocy. Druk 3D z metalu.
  • Binder Jetting – proszki metaliczne lub proszki piasku są łączone za pomocą ciekłego spoiwa.

FDM

FDM jest metodą polegającą na osadzaniu topionego materiału na powierzchni przez dyszę rozgrzaną do temperatury topnienia tego materiału. Wydruk tworzony jest poprzez nakładanie na siebie kolejnych przekrojów – warstwa po warstwieDla bardzo precyzyjnych urządzeń wykorzystujących metodę FDM (przy materiale odpowiedniej jakości) oczekiwana dokładność w najlepszym przypadku wynosi ±0,13mm.  Najczęściej drukarki tego typu nie wymagają specjalnych warunków otoczenia – mogą być wykorzystywane w warunkach biurowych bez zagrożenia dla samego procesu drukowania jak i osób znajdujących się w pobliżu.

Do najczęściej stosowanych w tej metodzie materiałów zaliczamy ABS (terpolimerakrylonitrylo-butadieno-styrenowy), poliwęglany, polifenylosiarczki, HDPE (polietylen wysokiej gęstości) oraz woski. Istnieją także techniki wykorzystujące materiały rozpuszczalne w wodzie.

Dokładność druku w metodzie FDM jest ściśle związana z prędkością wytwarzania. Z tego powodu elementy drukowane w metodzie FDM wymagają dalszej obróbki – szlifowania czy gładzenia powierzchni oraz usuwania (odcinania) technologicznych wsporników niezbędnych do wydrukowania elementu.

Materiały stosowane w tej metodzie najczęściej nie mają wysokiej trwałości termicznej. Szeroki zakres dostępnych tanich filamentów, łatwość użytkowania, brak specjalnych wymagań infrastrukturalnych oraz stosunkowo niskie koszty urządzeń spowodowały jednak ogromną popularność tej technologii (według różnych danych i kryterów od 80 do nawet 95% udziałów w rynku druku 3D).

MJP

Metoda MJP w swojej idei jest podobna do nadruku tworzonego przez drukarki atramentowe –materiał jest wystrzeliwany przez głowicę na podłoże, a następnie utwardzany przez światło UV.

Metoda MJP jest bardzo szybka przy drukowaniu obiektów o małej grubości – pojedyncza warstwa ma grubość od kilkunastu do maksymalnie kilkudziesięciu mikronów. Ważną zaletą MJP jest bardzo wysoka rozdzielczość zadruku, przez co elementy nie wymagają dalszej obróbki.

Największym ograniczeniem omawianej metody są materiały – do wydruku stosuje się termotopliwy wosk lub filament tworzywowy utwardzalny światłem – materiały te są stosunkowo drogie i trudno dostępne. Dodatkowym ograniczeniem tej metody jest bardzo skomplikowany proces tworzenia elementów, w których wyższa warstwa wykracza poza obwód warstwy niższej.

Elementy wyprodukowane w metodzie MJP są stosunkowo kruche i nieodporne na zginanie. W porównaniu z innymi metodami należy jednak zauważyć, że termoodporność wytworzonych elementów jest znacznie wyższa.

CJP

Colour Jet Printing jest jedyną prezentowaną w tym artykule metodą kolorowego druku 3D (choć nie jest jedyną istniejącą metodą, jednak ze względu na skalę popularności inne pominięto). W ramach CJP wykorzystuje się kompozyt na bazie gipsu i ciekłego lepiszcza, który jest warstwa po warstwie spajany. Produkcja elementów z wykorzystaniem CJP nie wymaga drukowania dodatkowych podpór technologicznych. Dokładność wydruku w najlepszym przypadku wynosi ± 1mm, co w rezultacie skutkuje zwykle koniecznością dalszej obróbki mechanicznej (szlifowania). Ze względu na właściwości materiałowe na detal należy także nałożyć warstwę utwardzającą (np. wodoszczelny lakier lub laminat).

CJP jest idealnym rozwiązaniem przy tworzeniu prototypów pokazowych, makiet (technologicznych lub architektonicznych), figurek czy form do odlewów. Inne zastosowania tak tworzonych wydruków są wątpliwe – wytrzymałość tych elementów na warunki środowiskowe oraz uszkodzenia mechaniczne jest bardzo mała.

SLS

Selektywne Spiekanie Laserowe jest metodą umożliwiającą drukowanie addytywne z użyciem materiałów bazujących na poliamidach. Wiązka lasera wykorzystywana jest do spiekania kolejnych warstw. Do stworzenia wydruku wykorzystuje się specjalną komorę wypełnioną poliamidem. Po spieczeniu kolejnej warstwy komora obniża się o jej grubość (zwykle około 0,1 mm). W tej technologii również nie generuje się materiału wspierającego (za „wsporniki” służy niespieczony materiał z niższych warstw).

Po procesie wydruku konieczna jest dalsza obróbka związana ze szlifowaniem krawędzi i powierzchni oraz usunięciem pozostałości niespieczonego materiału.

SLS nadaje się idealnie do tworzenia elementów o stosunkowo wysokiej odporności mechanicznej – poliamidy są zwane „tworzywami konstrukcyjnymi”. Materiały wyprodukowane w ten sposób mogą być wykorzystywane także do przenoszenia energii mechanicznej – np. jako koła zębate. Ich trwałość jest oczywiście nieporównywalnie mniejsza niż w przypadku klasycznie wytwarzanych stalowych kół.

DMLS

Direct Metal Laser Sinteringjest metodą co do idei bardzo podobną do opisywanej wcześniej metody SLS – główną różnicę stanowi moc lasera oraz materiał używany do produkcji.

Najważniejszym wyróżnikiem DMLS jest druk z materiałów metalowych. Wśród najpopularniejszych wykorzystywanych metali w tej metodzie wyróżnia się martenzytyczną stal narzędziową (stosowaną do budowy wytrzymałych elementów, form wtryskowych i odlewaczach do pracy na gorąco), stopy aluminium oraz stal zgodną z wymaganiami stali chirurgicznej.

Największą wadą tej metody jest stosunkowo długi czas drukowania oraz w precyzyjnych zastosowaniach konieczność dalszej precyzyjnej obróbki po wydruku.

Po kolejnych nieznacznych modyfikacjach techniki drukowania podobną zasadą działania odznaczają się technologie SLM oraz EBM.

Binder Jetting

Technologia Binder Jetting jest w swojej idei podobna do SLS i DMLS. Ta opatentowana w 1993 technika nie wykorzystuje jednak wiązki lasera, a płynne spoiwo nanoszone przez głowicę drukującą. Dzięki takiemu podejściu możliwym stało się nie tylko drukowanie w plastiku i metalu, ale także w gipsie i pisaku.Zastosowanie pisaku jako materiału drukarskiego stworzyło oczywiście możliwość płynnego drukowania form odlewniczych.

Po nałożeniu spoiwa na powierzchni powstają tak zwane voksele – trójwymiarowe piksele stanowiące najmniejszą jednostkę w trójwymiarowej grafice przestrzenne. Następnie po nadrukowaniu warstw forma jest wygrzewana w piecu w temperaturze ok 230°C. Takie wygrzanie spaja lepiszcze i pozwala na usunięcie (przy użyciu odkurzaczy, pędzelków lub sprężonego powietrza) niespojonego tworzywa. Po oczyszczeniu materiał jest spiekany w piecu wysokotemperaturowym (temperatura ok. 900-1400°C). Dzięki różnym dodatkowym procesom technologicznym zwiększa się gęstość metalu oraz w wielu przypadkach zapobiega odkształceniom spowodowanym wysoką temperaturą.

Metoda ta pozwala na produkcję elementów z ogromnej liczby stopów metalicznych. Dodatkowo jest ona dużo elastyczniejsza (w zmianie materiału) i szybsza niż spiekanie laserowe lub elektronowe. Do największych minusów tej technologii zalicza się z pewnością relatywnie wysoki koszt energii spowodowany koniecznością rozgrzewania i wychładzania pieców wysokotemperaturowych oraz problematyczna kontrola deformacji detalu spowodowanych zmianami temperatur. Należy też podkreślić, że materiały wygrzewane i spiekane w piecach mają niższą wytrzymałość mechaniczną niż elementy wykonane w technologii DMLS.

EBM

Metoda elektronowego spiekania materiału jest w zasadzie działania bliźniaczo podobna do SLS. Jedyną różnicę stanowi medium spiekające pył – w przypadku EBM jest to wiązka elektronowa.

W druku EBM możemy uzyskać elementy nie wymagające (w większości zastosowań) dalszej obróbki krawędzi i powierzchni – metoda charakteryzuje się bardzo wysoką precyzją. Wytrzymałość mechaniczna produkowanych elementów pozwala na ich zastosowanie przy produkcji form wtryskowych, narzędzi do pras czy elementów przenoszących energię mechaniczną (bardziej wytrzymałych niż w przypadku SLS, jednak nadal nie tak wytrzymałych jak klasyczne)

Inne materiały i ciekawostki

W Internecie możemy spotkać wiele wariacji na temat druku 3D. Co najmniej kilka razy w miesiącu pojawiają się filmy o krzykliwych tytułach „Pierwszy dom wydrukowany w technologii 3D”, „Pierwszy samochód w całości z elementów drukowanych 3D”, „Drukarka 3D produkuje statek, robota, kuchenkę i pralkę” itp. W rzeczywistości większość tych filmów pokazuje albo prototypy, które wyglądają jak obiekty docelowe, jednak nie cechują się właściwościami fizycznymi obiektów „prawdziwych”. Podobnie – na początku pandemii wszyscy zachwycali się przyłbicami drukowanymi na drukarkach 3D. W rzeczywistości jedna przyłbica drukowana była przez kilka godzin. Dla porównania w tym czasie wtryskarka produkowała kilkanaście tysięcy elementów identycznych.