Druk 3D to popularny temat ostatnich lat. Pomimo licznych artykułów i prezentacji multimedialnych niewiele osób rozumie czym tak naprawdę jest druk trójwymiarowy i jak powstaje obiekt. W niniejszym artykule chcemy przedstawić proces, dzięki któremu powstaje gotowy wydruk 3D oraz wymienić podstawowe technologie tworzenia trójwymiarowych obiektów.
Zanim przejdziemy do procesu powstawania fizycznych obiektów, chcemy skupić się na tym, kto zapoczątkował druk 3D i jak zmieniały się stosowane metody. Pierwsze drukarki 3D zostały stworzone przez Amerykanina Charlesa Hulla w 1984 roku, a opracowana przez niego metoda polegała na tym, że wiązka lasera utwardzała żywicę fotopolimerową tworząc tym samym rzeczywisty przedmiot.
Zainteresowanie drukiem przestrzennym zyskało ogromną popularność i rozpoczęto pracę nad nowymi technologiami, które miały na celu udoskonalenie pracy i jakości wytwarzanych produktów. Powstała technologia SLA – stereolitografia, która zyskała miano technologii przyrostowej, podczas której obiekty są tworzone warstwa po warstwie.
Opracowanie technologii SLA przyczyniło się do rozpoczęcia prac nad licznymi badaniami, co doprowadziło do opracowania kolejnych metod wytwarzania trójwymiarowego, w tym technologii FDM, czyli najpopularniejsza dzisiaj technika tworzenia obiektów 3D z termoplastycznych tworzyw sztucznych. Coraz to nowsze technologie pozwalają obecnie na tworzenie obiektów trójwymiarowych również ze stopów metali. Dzięki wysokiemu zaawansowaniu technologicznemu możliwe jest tworzenie obiektów wykorzystywanych w szeroko pojętym przemyśle, medycynie, lotnictwie, motoryzacji, jubilerstwie, architekturze, czy edukacji.
Jak powstaje druk 3D?
Do stworzenia trójwymiarowego obiektu konieczne jest stworzenie komputerowego modelu 3D, który można przygotować w programach do modelowania CAD, bądź za pomocą skanera 3D. Dostępnych jest wiele programów, które pomagają stworzyć model będący przedmiotem druku trójwymiarowego. Aby wydrukować daną rzecz należy model komputerowy „pociąć” na warstwy, które przy pomocy drukarki 3D układane są jedna na drugiej.
Program określa wysokość pojedynczej warstwy, co jest niezmiernie ważne, ponieważ im mniejsza wysokość warstwy tym większa rozdzielczość wydruku. Oznacza to, że wielkość warstw wpływa na efekt wizualny i estetyczny obiektu. Należy także pamiętać, aby odpowiednio dobrać pozostałe parametry procesu druku 3D, takie jak rodzaj materiału, temperatura głowicy drukującej i stołu roboczego, rodzaj i ilość wypełnienia, itp.
Gotowy plik z instrukcjami (.gcode) należy wgrać do drukarki 3D, która precyzyjnie kopiuje każdą z warstw opisanych w pliku. Drukowanie może trwać od kilku minut do nawet kilku dni w zależności od wielkości i wymagań stawianych względem finalnego obiektu.
Technologie druku przestrzennego
Duże zainteresowanie drukiem 3D ze strony przemysłu wpłynęło na stworzenie wielu technologii, które różnią się między sobą przebiegiem procesu, materiałami z jakich powstają modele fizyczne oraz rodzajem elementów, które możemy wytworzyć. Poszczególne techniki skupiają się na tworzeniu prostych i tanich detali, inne na wytworzeniu precyzyjnego przedmiotu, a jeszcze inne na wykonaniu bardzo wytrzymałych przedmiotów.
Wyróżniamy 9 podstawowych technologii druku 3D:
FDM/FFF która jest zdecydowanie najpopularniejszą metodą i każdy, kto zaczyna pracę z drukarkami 3D musi ją znać. Drukowanie tą technologią odbywa się z wykorzystaniem filamentów, tj. termoplastycznych tworzyw sztucznych o przekroju kołowym, nawiniętych na szpulę.
SLA do otrzymania finalnego obiektu wykorzystywana jest żywica fotopolimerowa, która utwardzana zostaje za pomocą wiązki lasera.
DLP podobnie jak w poprzednim przypadku, do otrzymania przedmiotu stosuje się żywicę, jednak różnica tkwi w metodzie jej sieciowania. Metoda DLP uwzględnia utwardzanie przy pomocy światła emitowanego przez projektor umieszczony pod pojemnikiem, w którym znajduje się materiał.
PolyJet/MJP ta technika przypomina nieco tradycyjny druk na papierze. Polega na natryskiwaniu żywicy, która jest jednocześnie utwardzana światłem UV.
CJP wykorzystuje proszek gipsowy, który jest rozsypywany na stole, a następnie głowica drukująca przesuwa się nad nim jednocześnie natryskując lepiszcze i kolorowy atrament.
SLS w tym przypadku druk 3D jest możliwy dzięki wykorzystaniu sproszkowanych termoplastycznych tworzyw sztucznych z grupy poliamidów, które są spiekane przy pomocy lasera.
SLM/DMLS wykorzystuje sproszkowane metale i działa podobnie jak SLS, z tym wyjątkiem, że detale muszą mieć zaprojektowane podpory spajające je ze stołem roboczym oraz elementy nie mogą być piętrowane.
EBM również wykorzystuje sproszkowane metale, z tą różnicą, że laser wykorzystywany w SLM został zastąpiony przez wiązki elektronów.
MJF do tej metody wykorzystuje się poliamidy, na które natryskiwane są lepiszcze, a wysoka temperatura powoduje ich trwałe sklejenie.
Wspomniane wyżej technologie nie wyczerpują pełnej gamy dostępnych na rynku metod wytwarzania. Istnieją techniki druku 3D, których zastosowanie jest związane z wysoką specjalizacją branży lub pożądaną cechą wyrobu gotowego.
