Drukarki 3D, czyli technologia samodzielnego prototypowania

Technologia druku 3D, nie jest technologią nową. Trudno w to uwierzyć, ale ma ona już blisko 30 lat. Niemniej dopiero za sprawą taniejących urządzeń drukujących, z których najtańsze można kupić za niecałe 2000 zł, zaczęła trafiać dosłownie pod przysłowiowe strzechy.


Podstawowym zastosowaniem technologii przyrostowych, a do takich należy druk 3D, jest szybkie prototypowanie (ang. rapid prototyping). Jak wiadomo, podczas procesu projektowania maszyn i urządzeń inżynierowie posługują się nie tylko rysunkami technicznymi i wirtualnymi wizualizacjami projektowanych przez nich obiektów, ale również często muszą sięgnąć po ich fizyczne trójwymiarowe modele. Są one niezbędne w wielu procesach projektowych do dokładnego przeanalizowania przygotowywanej maszyny, części czy konstrukcji.

Dzięki tego typu modelom można w praktyce sprawdzić działanie urządzenia czy poprawność założeń konstrukcyjnych jeszcze zanim powstanie gotowa maszyna czy urządzenie. Dzięki modelom 3D łatwiej też w konstrukcji znaleźć słabe punktu lub błędy projektowe. Niestety, większość do niedawna używanych metod wykonywania modeli 3D wykorzystywanych w prototypowaniu była czasochłonna i droga. Dlatego na początku lat 80. XX wieku w słynnym Massachusetts Institute of Technology podjęto się zadania związanego z wynalezieniem metody pozwalającej w miarę szybko przygotować trójwymiarowy model prototypu projektowanej części lub obiektu. Tak powstały podstawy technologii druku trójwymiarowego (ang. 3D printing), które w połowie lat 80. wykorzystane zostały do opracowania kilku metod druku przestrzennego.

Stereolitografia

Pierwsza technika drukowania przestrzennego opracowana została przez Charlesa Hulla w 1984 roku i opatentowana dwa lata później pod nazwą Stereolitografia (SLA – ang. StereoLithography Apparatus). W 1986 roku Charles Hull założył firmę 3D Systems, która rozpoczęła produkcję pierwszych komercyjnych drukarek 3D. Co ciekawe, w 1989 roku firma 3D Systems opracowała format plików SLT (od ang. STereoLithography), który dzisiaj uważany jest za standard i jest powszechnie stosowany do zapisu projektów przedmiotów, które mają być następnie wydrukowane na drukarkach 3D – niezależnie od technologii, którą fizycznie wykorzystuje dana drukarka. Istotne jest tu też to, że większość oprogramowania CAD wykorzystywanego przez inżynierów i konstruktorów do projektowania nowych wyrobów ma możliwość zapisu w formacie SLT, dzięki czemu model opracowywanej części można bardzo szybko i sprawnie wydrukować.

Stratasys uPrint to jedna z najpopularniejszych profesjonalnych drukarek 3D korzystających z technologii FDM. źródło: Stratasys

Stratasys uPrint to jedna z najpopularniejszych profesjonalnych drukarek 3D korzystających z technologii FDM. źródło: Stratasys

Jeśli chodzi o samą stereolitografię, to technologia ta polega w skrócie na rysowaniu światłem laserowym kolejnych warstw (przekrojów) drukowanej części na powierzchni wanny wypełnionej specjalnym fotoutwardzalnym polimerem (żywicą). Rysując laserem kształt przekroju przedmiotu utwardza się na powierzchni roztworu żywicę, tworząc w ten sposób zestaloną warstwę tworzywa sztucznego jedynie w tych miejscach, w których działało światło. Następnie zanurzając metalową platformę (stolik), na której drukujemy przedmiot, w głąb roztworu dokładnie o wartość grubości wytworzonej przed chwilą warstwy, możemy przystąpić do nanoszenia kolejnego przekroju utwardzając tą kolejną warstwę laserem. Proces ten powtarza się aż do chwili uzyskania całego drukowanego przestrzennie elementu.

Przykład pokazywanej na targach Wirtotechnologia w Sosnowcu bardzo prostej drukarki 3D - UP Plus 2 - firmy UP3D korzystającej z technologii FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Przykład pokazywanej na targach Wirtotechnologia w Sosnowcu bardzo prostej drukarki 3D - UP Plus 2 - firmy UP3D korzystającej z technologii FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Technologia stereolitograficzna pozwala uzyskać wysoką precyzję (nawet poniżej jednej setnej części milimetra) i powtarzalność drukowanego przedmiotu. Uzyskuje się również bardzo dobrą jakości powierzchni oraz możliwość tworzenia skomplikowanej struktury wewnętrznej elementu. Wadami tej metody są wysokie koszty, w tym koszty fotoutwardzalnych materiałów, powolność procesu, niezbyt duże wymiary uzyskiwanych przedmiotów, a także wymóg doświetlenia (końcowego utwardzenia) gotowego przedmiotu. Tą metodą nie da się też uzyskać wielokolorowych elementów. Obecnie metoda ta wykorzystywana jest głownie w prototypowaniu części dla branży AGD/RTV oraz przy wytwarzaniu personalizowanych produktów medycznych takich jak wkładki do aparatów słuchowych, modeli ortodontycznych czy modeli anatomicznych.

Drukujemy plastikiem

Technologią druku 3D, która ostatnimi czasy zawojowała świat, jest technologia FDM (ang. Fused Deposition Modeling). Metoda ta znana również pod nazwą FFF (ang. Fused Filament Fabrication). polegająca na warstwowym osadzaniu stopionego materiału opracowana została w 1988 roku przez Scotta Crumpa, założyciela firmy Stratasys. Pierwsza na świecie trójwymiarowa drukarka wykorzystująca technologię FDM – Stratasys 3D Modeler – pojawiła się na rynku w 1992 roku.

Możliwości druku 3D - technologia FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Możliwości druku 3D - technologia FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Zasadza działania drukarki 3D wykorzystującej technologię FDM przypomina pracę zwykłej drukarki atramentowej. Głowica z dwoma dyszami podającymi materiał bazowy i materiał podporowy (o czym za chwilę) przemieszcza się w płaszczyźnie XY i nanosi w odpowiednich miejscach warstwę stopionego materiału polimerowego. Po jego zastygnięciu, co trwa nie dłużej niż kilka sekund, głowica wraz z całym mechanizmem podnoszona jest minimalnie do góry lub, co zdarza się częściej, obniżana jest płyta podstawy (tzw. stół modelowy), na której powstaje drukowany obiekt. Po zaschnięciu jednej warstwy polimeru o grubości najczęściej ok. 0,1 mm, można przystąpić do drukowania kolejnej warstwy.

Pobieramy plik SLT

Wiele osób, z różnych powodów, w tym braku odpowiednich zdolności czy umiejętności, nie jest zainteresowanych samodzielnym przygotowywaniem wzorów przedmiotów do wydruku. Na szczęście możliwe jest pobranie gotowych wzorów z Internetu. Istnieją też fora dyskusyjne, na których użytkownicy wymieniają się wzorami w postaci plików STL. Należy jednak pamiętać, że wiele wzorów przedmiotów zastrzeżonych jest prawami autorskimi. Ich twórcy pozwalają wydrukować bezpłatnie na własny użytek jedną lub co najwyżej kilka kopi przedmiotu. Jeżeli chcemy już drukować taki wzór komercyjnie, musimy za niego po prostu zapłacić. Są też strony, na których możemy kupić interesujące nas wzory (zwykle są znacznie ciekawsze, niż te dostępne za darmo) i później wykorzystywać je – zgodnie z umową – do celów prywatnych lub komercyjnych.

Jedną z większych dostępnych w Internecie baz rysunków do druku 3D, w dodatku nie wymagających logowania jest serwis Thingiverse. Pod adresemhttp://www.thingiverse.com/newest codziennie pojawiają się najnowsze, dodane przez użytkowników wzory. Po zalogowaniu się na stroniehttp://www.shapeways.com/ uzyskamy zaś dostęp do biblioteki plików firmy Shapeways. W poszukiwaniu wzorów warto też zajrzeć na stronęhttp://www.yeggi.com/. Jest to obecnie jedna z największych wyszukiwarek plików STL. Wzory i pliki STL do pobrania znajdziemy również na polskiej stronie Świat druku 3D – http://swiatdruku3d.pl/category/pliki-stl-do-pobrania/.

Cały proces powtarzany jest do chwili, kiedy przedmiot zostanie w całości wydrukowany. W zależności od wielkości przedmiotu i grubości nanoszonych warstw może to trwać zazwyczaj od kilkunastu lub kilkudziesięciu minut do kilkunastu godzin. Jeżeli drukowany prototyp jest duży (np. jest to zderzak do samochodu w skali 1:1) to wydruk może trwać wręcz kilka, a nawet kilkanaście dni.

Możliwości druku 3D - technologia FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Możliwości druku 3D - technologia FDM. zdjęcie: Marcin Bieńkowski

Aby drukowany model podczas jego tworzenia nie wywrócił lub nie połączyły się ze sobą przypadkowo jego fragmenty, niezbędne jest użycie drugiego, dodatkowego materiału. Ten pomocniczy materiał nazywa się materiałem podporowym. W odróżnieniu od materiału podstawowego tzw. polimeru bazowego, jest on łatwo usuwalny. Materiałem podporowym może być np. miękki plastik lub specjalnie utwardzana skrobia. W pierwszym wypadku po wydrukowaniu przedmiotu elementy podporowe modelu po prostu się odcina, w drugim rozpuszcza się je w wodzie.