Drukowanie 3D, rapid prototyping - z czym to się je?

Niektórzy mówią o kolejnej rewolucji przemysłowej. Inni uważają natomiast, że w ciągu następnych 5-10 lat każdy będzie posiadał drukarkę 3D w domu. Coraz powszechniejsza jest także opinia, że Rapid Prototyping (słowo szybkie, oznacza okres od kilku do kilkudziesięciu godzin) to tani i szybki sposób na tworzenie trójwymiarowych modeli.

Projekt hamburgera uzyskany dzięki drukowaniu 3D

Projekt hamburgera uzyskany dzięki drukowaniu 3D

W dwudziestym pierwszym wieku projektanci potrzebują coraz lepszych metod na realizowanie wytyczonego przez zleceniodawcę zadania - od projektu wykonanego w programie graficznym, do finalnej wersji w postaci fizycznie istniejącego prototypu. Pracownikom biur projektowych zależy w szczególności na minimalizacji czasu potrzebnego do stworzenia pierwowzoru. Odpowiedzią na to jest druk 3D. Jest to jedna z technologii szybkiego prototypowania. Służy do wykonywania elementów w technologii addytywnej, która polega na podzieleniu modelu 3D na szereg dwuwymiarowych części, po to by je później odtworzyć w urządzeniu do prototypowania.

Należy zaznaczyć, że drukowanie przestrzenne jest metodą przyrostową, co znaczy, że element jest tworzony poprzez nakładanie na siebie kolejnych warstw spoiwa. Dzięki szybkiemu prototypowaniu projektanci mają wiele możliwości, a zastosowania druku przestrzennego są bardzo zróżnicowane. Wiele zależy od przygotowanej formy odlewniczej, oraz wizualizacji projektów architektonicznych. Poza tymi technicznymi detalami, jedynym ograniczeniem jest wyobraźnia… i objętość portfela, ponieważ niektóre drukarki kosztują małą fortunę.

Gips - jeden z materiałów wykorzystywany w drukowaniu 3D

Gips - jeden z materiałów wykorzystywany w drukowaniu 3D

Technologia została opracowana w Massachusetts Intitute of Technology, pod koniec lat 80 dwudziestego wieku - początkowo jedynie do tworzenia prototypów, jednak współcześnie technika stosowana jest nawet do produkcji fizycznie istniejących narzędzi. Mimo upływu dwóch dekad od momentu wynalezienia, metoda drukowania 3D dopiero niedawno zrobiła furorę na rynku. Wszystko za sprawą dynamicznego rozwoju Rapid Prototyping (szybkie prototypowanie) i produkcji nowych urządzeń budujących prototypy. Dzisiaj, technologia jest niezwykle przydatna z racji tego, że czas i koszty produkcji prototypów znacznie spadły. Porównując to na przykład z dawnymi metodami, gdzie stworzenie modelu zajmowało nawet kilka miesięcy, przy ogromnych nakładach finansowych.

Należy też nadmienić, że koszty produkcji prototypu, przy pomocy drukarki 3D - z pominięciem tradycyjnych metod - są nawet trzydziestosześciokrotnie mniejsze. Przykładem może być silnik odrzutowy składający się z ruchomych części. Dzięki Rapid Prototyping koszty budowy prototypu zmalały z około siedmiu milionów dolarów, do zaledwie dwudziestu pięciu tysięcy.

Rodzaje drukarek 3D

Drukarki 3D, opierające się na przyrostowym systemie działania różnią się od siebie wykorzystywanym materiałem budulcowym i techniką jego nanoszenia. Można zatem wyróżnić kilka przykładowych sposobów przestrzennego drukowania, a mianowicie:

Projekt budynku mieszkalnego, element gotowy do obróbki

Projekt budynku mieszkalnego, element gotowy do obróbki

- stereolitografia, która jest pierwszą techniką szybkiego prototypowania. Modele były wytwarzane poprzez warstwowe utwardzanie żywicy epoksydowej lub akrylowej pod wpływem promieniowania UV

- 3D printing jest techniką podobną do drukowania atramentowego, z tą różnicą, że atrament został zastąpiony przez odpowiednie spoiwo, które łączy kolejne warstwy proszku - czyli materiału budulcowego - naniesione na stół modelowy

- Fused Deposition Modeling, czyli osadzanie stopionego materiału. Metoda polega na modelowaniu ciekłym materiałem termoplastycznym.

Stosowany surowiec jest najczęściej tworzywem sztucznym, nanoszonym przez dyszę rozgrzaną do temperatury topnienia używanego materiału. Praca dyszy (przemieszczanie się jej i kontrola nad przepływającym przez nią materiałem) sterowana jest dzięki instrukcjom zapisanym w programie CAD - na przykład AutoCAD Electrical lub AutoCAD Mechanical. Model jest wytwarzany warstwa po warstwie, podobnie jak w przypadku stereolitografii.

W FDM stosuje się wiele materiałów, różniących się wytrzymałością i temperaturą topnienia np.  poliwęglany czy woski - lanolina i parafina. Metoda ta - w przeciwieństwie do innych - pozwala na stworzenie wytrzymałego modelu, zaraz po wyjęciu z urządzenia. Dzięki zastosowaniu w miarę odpornych materiałów, technika przydatna jest do tworzenia detali użytkowych, których przykładem mogą być elementy protez dentystycznych lub fragmenty kości czy chrząstek. Modele uzyskane dzięki Fused Deposition Modeling można poddawać obróbce mechanicznej (między innymi szlifowaniu, czy malowaniu).

Drukowanie 3D doskonale nadaje się także do drukowania małych elementów

Drukowanie 3D doskonale nadaje się także do drukowania małych elementów

LOM (Laminated Object Manufacturing) polega na sklejaniu modelu z wyciętych laserowo warstw papieru. Papierowy model służy jedynie za formę odlewniczą, dzięki której możliwe jest wykonanie metalowego odlewu prototypu. Modele wykonane przy użyciu techniki LOM są również łatwe w obróbce. Praktycznie nie ma ograniczeń, co do złożoności wykonywanego projektu.

W technice MJM (Multi-jet Modeling) poprzez głowicę wielodyskową nanoszony jest stopiony fotopolimer akrylowy. Ta technika znalazła zastosowanie w medycynie. Proszek powstały z polimerów jest trudny do spojenia i wymaga specjalnych spoiw, najlepiej koloidów. Przy użyciu techniki Multi-jet Modeling budowane są rusztowania do wzrostu tkanek. Wydrukowane konstrukcje wypełniają przestrzenie między komórkami.

Najczęściej stosowanym materiałem przy wyrabianiu prototypów jest gips. Głównie ze względu na niską cenę i ogólnodostępność. Jako spoiwo stosuje się wodę. Równie często używane są takie materiały, jak: wosk, celuloza, czy dekstran. Niestety prototypy wykonywane z tych surowców nie należą do wytrzymałych. Zbudowane z nich modele mogą służyć jedynie, jako zminiaturyzowane pierwowzory przyszłych budowli, bądź narzędzi.

Przebieg drukowania

Pierwszy krok stanowi stworzenie modelu w programie graficznym lub zdigitalizowanie już istniejącej bryły fizycznej, na przykład rzeźby. Mogą być w tym przydatne skanery 3D. Takie urządzenia mogą dokonują optycznego pomiaru współrzędnych X, Y, Z danego obiektu, oraz podają informacje na temat pokrywających go kolorów. Po zeskanowaniu powstaje chmura punktów zapisana w formacie *txt.

Następnie należy przeprowadzić rekonstrukcję geometrii. Gotowy projekt zapisuje się w formacie *stl, a następnie transportuje do drukarki przestrzennej. Oczywiście należy dobrze zastanowić się nad wyborem urządzenia drukującego, gdyż musi być ono kompatybilne z używanym przez nas oprogramowaniem. Później nadchodzi czas na wydrukowanie obiektu. Cały proces polega na rozprowadzeniu warstwy proszku na platformie i spojenia cząstek przy pomocy specjalnego spoiwa. Po wykonaniu prototypu można przeprowadzić obróbkę wykończeniową, (jeśli jest wymagana) na przykład pomalować obiekt na wybrany przez nas kolor.

Oczywiście opisany przeze mnie proces jest długotrwały i wymaga nawet kilkudziesięciu godzin oczekiwania, aż drukarka zakończy pracę. Na szczęście, na rynku pojawiają się coraz nowsze urządzenia, więc możemy liczyć na jeszcze większą minimalizację czasu pracy i kosztów budowy prototypu.

Garść dodatkowych informacji

Na początku należy wspomnieć o kosztach, a mianowicie: ceny drukarek przestrzennych wahają się w granicach kilku tysięcy złotych. Przykładem może być drukarka RapMan 3.2 3D Printer Kit Extreme, której cena waha się w granicach 1030-1610 euro. Na rynku dostępne są także tańsze urządzenia, ale zwykle stanowią one jedynie imitacje profesjonalnych maszyn. Wniosek z tego jest bardzo prosty - kupno drukarki 3D zwraca się, jeśli jesteśmy właścicielami biura projektowego, w którym takie urządzenie znacznie usprawni i przyspieszy pracę projektantów.

Przykładowe wykorzystanie zalet druku 3D

Przykładowe wykorzystanie zalet druku 3D

Dodatkowo, kupno drukarki przestrzennej może być dobrym pomysłem na biznes. W Polsce funkcjonuje wiele firm zajmujących się szybkim prototypowaniem, przy użyciu najróżniejszych materiałów. Oznacza to, że drukowanie 3D daje nam ogrom możliwości, a przede wszystkim zyskujemy szansę zaoszczędzenia czasu i pieniędzy.

Należy mieć na uwadze fakt, że nie wszystkie materiały stosowane do drukowania przestrzennego są na tyle wytrzymałe, by zbudować z nich przedmioty służące, jako elementy użytkowe. Nie stanowi to jednak przeszkody przed wydrukowaniem, na przykład: ramy rowerowej, butów, sędziowskiego gwizdka lub żyrandola o skomplikowanych kształtach. Tak naprawdę wszystko zależy od inwencji twórczej i umiejętności projektanta.

Technologia drukowania 3D dąży do większej dostępności - rozumianej, jako większy dostęp do urządzeń drukujących, jak i obniżenie kosztów wydruku. Pozostaje nam jedynie oczekiwać, aż te urządzenia zagoszczą w biurach, mieszkaniach i szkołach - co wzbudziłoby, wśród polskiej młodzieży, zainteresowanie nowymi technologiami.

Materiały i ich spoiwa

MATERIAŁY SPOIWA
Gips Woda
Polimery Koloidy
Żywica epoksydowa Promieniowanie UV
Ceramika Koloidy
Żywica akrylowa Promieniowanie UV


Zobacz również