Druk przestrzenny jest to proces, w którym trójwymiarowe obiekty wykonywane są na podstawie modelu cyfrowego przez dodawanie kolejnych warstw materiału, jedna na drugiej. Wytwarzanie addytywne, inaczej przyrostowe, ma wiele zalet w zestawieniu z technikami subtraktywnymi (ubytkowymi), w których przedmioty wykonywane są przez usuwanie materiału, na przykład z jego litego bloku, aż do uzyskania pożądanego kształtu.
JAKIE SĄ ZALETY DRUKU 3D?
Przede wszystkim w druku przestrzennym marnuje się mniej materiału, jest on bowiem dodawany tylko tam, gdzie jest potrzebny. Wyróżnia go również większa elastyczność produkcji. Poza tym techniką addytywną łatwiej można wyprodukować obiekty o skomplikowanych kształtach.
Przedmioty tą metodą wykonywane są przy użyciu drukarek 3D. Maszyny te różnią się technologią drukowania, wielkością obiektów, które mogą wydrukować, wydajnością produkcji, materiałami, z których drukują.
Potrzebne jest również specjalne oprogramowanie. Przygotowuje się w nim model cyfrowy obiektu oraz konwertuje się go do postaci zrozumiałej przez sterownik drukarki.
Wydrukowany przedmiot, w zależności od techniki produkcji, trzeba wyczyścić. Następnie jest on poddawany obróbce wykończeniowej, na przykład szlifowaniu, polerowaniu, malowaniu.
NA CZYM POLEGA TECHNIKA FDM?
Wyróżnić można wiele metod drukowania przestrzennego. Jedną z popularniejszych jest FDM (Fused Deposition Modeling). W technice tej materiał najpierw jest pobierany ze szpuli. Potem przechodzi przez głowicę drukarki, w której jest podgrzewany. Przez to ulega stopieniu.
Następnie w postaci półpłynnej jest przeciskany przez dyszę. W ten sposób nanoszone są na siebie jego kolejne warstwy, które schładzając się, łączą się ze sobą. W procesie tym kontrolować trzeba kilka parametrów równocześnie, przede wszystkim ciśnienie oraz szybkość wytłaczania materiału i temperaturę jego podgrzewania.
W wytłaczarkach 3D przedmioty mogą być wykonywane z różnych tworzyw termoplastycznych, w tym tych o specjalnych właściwościach, jak: zwiększona wytrzymałość, półprzezroczystość, biokompatybilność, zwiększona odporność na oddziaływanie promieni UV czy temperaturę. Dzięki temu drukarki FDM są wykorzystywane zarówno do drukowania modeli, w pełni funkcjonalnych prototypów, jak i prostych elementów konstrukcyjnych, na przykład lekkich prowadnic kablowych.
ZALETY I OGRANICZENIA DRUKAREK FDM
Wśród zalet techniki FDM wymieniane są również: łatwość instalacji i obsługi drukarek. Nie ma poza tym specjalnych wymagań, jeżeli chodzi o warunki instalacji – wystarczy wolna przestrzeń w klimatyzowanym pomieszczeniu. Wyposażenie dodatkowe to natomiast zazwyczaj opcjonalne stanowisko obróbki wykończeniowej.
Z drugiej strony dokładność i szybkość drukowania tą metodą są mniejsze niż w przypadku innych technik druku 3D. Na jakość finalnego obiektu, zwłaszcza schodkowatość powierzchni, ma wpływ kształt wylotu dyszy. Gdy wymagana jest duża dokładność wymiarowa, pod uwagę trzeba również wziąć wpływ siły ciążenia. Wykonane tą metodą przedmioty charakteryzuje anizotropia.
NA CZYM POLEGA STEREOLITOGRAFIA?
Tytułowa technika druku 3D była pierwszym rozwiązaniem opracowanym w dziedzinie wytwarzania addytywnego. Opiera się ona na zjawisku fotopolimeryzacji. Jest to reakcja polimeryzacji inicjowana promieniowaniem świetlnym lub ultrafioletowym. W wyniku tego zjawiska płynne żywice fotopolimerowe ulegają utwardzeniu.
Proces drukowania metodą stereolitografii (SLA) przebiega następująco: na początku platforma, na której zbudowany zostanie obiekt, znajduje się przy górnej krawędzi zbiornika wypełnionego płynną żywicą. W pierwszym kroku utwardzany jest, za pomocą lasera, obrys warstwy. Następnie wypełnia się go żywicą, utwardza się ją, a platformę przesuwa się w dół o odległość równą grubości kolejnej warstwy. Etap ten jest powtarzany wielokrotnie, do ukończenia przedmiotu.
ZALETY I OGRANICZENIA STEREOLITOGRAFII
W związku z tym, że w stereolitografii używa się płynnego materiału, kiedy jest on utwardzany, brakuje mu oparcia. Dlatego konieczne jest wykonanie specjalnych podpór, które później trzeba usunąć. Ponadto, by wzmocnić gotową konstrukcję, konieczne bywa jej dodatkowe utwardzenie przez naświetlenie promieniowaniem ultrafioletowym.
Do wad tej metody zalicza się zatem złożoność oraz czasochłonność obróbki wykończeniowej. Ze względu na materiały oraz środki używane w procesie drukowania i obróbki wykończeniowej pod względem wymagań oraz stopnia skomplikowania organizacji stanowiska drukowania metoda SLA znacznie przewyższa FDM. To wpływa na koszt jej realizacji.
Jej minusem jest również ograniczenie w zakresie materiałów tylko do żywic fotoutwardzalnych. Poza tym właściwości mechaniczne obiektów wykonanych z tych materiałów wraz z upływem czasu pogarszają się.
Wśród zalet stereolitografii wymienia się z kolei: precyzję wykonania, dzięki czemu technika ta nadaje się do produkcji obiektów z drobnymi szczegółami, gładkość powierzchni, co skłania do korzystania z niej w produkcji na przykład biżuterii, implantów medycznych i form do odlewów, stosunkowo dużą szybkość drukowania i możliwość wykonania przedmiotów o dużych rozmiarach oraz wadze. W tabeli przedstawiamy podsumowanie porównania dwóch wyżej opisanych technik druku 3D.
INNE POPULARNE METODY
W kolejnej kategorii technik stapia się cząstki proszków, łącząc je dzięki temu ze sobą. W ten sposób powstają kolejne warstwy obiektu. Zużyty proszek jest uzupełniany. Gotowy przedmiot pozostaje zanurzony w niespieczonym budulcu, zanim się nie schłodzi. Następnie wyjmuje się go i czyści z pozostałości proszku, na przykład przez przedmuchanie sprężonym powietrzem.
W zależności od źródła ciepła i typu sproszkowanego budulca można wyróżnić wiele metod, które są zaliczane do tej grupy technik druku przestrzennego. Jest to m.in. metoda SLS (Selective Laser Sintering), czyli selektywne spiekanie laserem. Przedmioty z metali wykonywane są metodami SLM (Selective Laser Melting) oraz DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Do tej kategorii należy też technika EBM (Electron Beam Melting), w której źródłem ciepła jest strumień elektronów.
W związku z popularnością i perspektywami technologii wytwarzania addytywnego w rozwój nowych lub udoskonalanie istniejących metod angażuje się wiele firm i instytutów badawczych. Wynikiem ich prac są nowe technologie, z których wiele jest od razu uznawanych za przełomowe, lecz w praktyce droga do ich upowszechnienia jest jeszcze długa.
MATERIAŁY NA TOPIE – TWORZYWA WYSOKOODPORNE I CERAMIKA
Największy udział w rynku druku 3D pod względem typu materiału od kilku lat mają tworzywa sztuczne. Od pewnego czasu rośnie zainteresowanie zwłaszcza tymi o specjalnych właściwościach. Przykładami takich są: PEEK (polieteroeteroketon) i PPSU (polifenylosulfon) o podwyższonej odporności na temperaturę, mechanicznej oraz chemicznej. Zainteresowanie nimi wynika stąd, że w pewnych zastosowaniach wysokoodporne tworzywa termoplastyczne mogą stanowić alternatywę dla metali, zapewniając podobną wytrzymałość, lecz będąc znacznie lżejszymi.
W porównaniu do wytwarzania addytywnego przedmiotów z tworzyw sztucznych czy z metali, technologia druku 3D z ceramiki jest wciąż na dość wczesnym etapie rozwoju, hamowanym przede wszystkim przez wysokie koszty materiałów oraz trudności w realizacji. Te ostatnie wynikają m.in. z tego, że materiał ten ma wysoką temperaturę topnienia oraz z jego dużej porowatości i skłonności do powstawania mikrodefektów. To z kolei sprawia, że konieczna jest bardziej złożona obróbka wykończeniowa.
Potencjał tego segmentu technologii druku przestrzennego jest jednak bardzo obiecujący – Smar Tech szacuje, że w 2028 roku jego wartość wyniesie 3,6 mld dol. Wynika to stąd, że z możliwości drukowania ceramicznych przedmiotów z pewnością skorzystałoby wiele branż. Wśród nich można wymienić przemysł maszynowy (na przykład łożyska), elektroniczny (podzespoły elektroniczne) i medycynę (segment ortopedyczny – protezy, stomatologia – uzupełnienia protetyczne).
OPROGRAMOWANIE
Jak napisaliśmy na wstępie, trójwymiarowe obiekty metodą druku 3D wykonywane są na podstawie modelu cyfrowego opracowanego w specjalnym oprogramowaniu i skonwertowanego do postaci odpowiedniej dla sterownika drukarki. W związku z tym korzysta się generalnie z dwóch typów narzędzi.
W pierwszym kroku model cyfrowy przedmiotu jest przygotowywany w oprogramowaniu CAD. Następnie jest on eksportowany zwykle do formatu STL. W plikach tego rodzaju obiekt zostaje odwzorowany za pomocą siatki trójkątów.
W kolejnym etapie korzysta się z oprogramowania, w którym model jest „rozcinany” na poziome warstwy (plasterki), które później, jedną na drugiej, będzie nanosić drukarka. Oprócz tego narzędzia tego typu tworzą ścieżki potrzebne do wypełnienia poszczególnych warstw oraz wykonania struktur podporowych. Obliczają również wymaganą ilość materiału.
Plik wynikowy ma postać instrukcji dla sterownika drukarki. Przeważnie takie oprogramowanie jest dostarczane wraz z drukarką, chociaż dostępne są też darmowe uniwersalne narzędzia tego typu.
Stefan Ziemiński
|
AI W DRUKU 3D ORAZ NARZĘDZIA WORKFLOW
Oprogramowanie do projektowania i konwersji od początku było nieodzownym uzupełnieniem drukarek 3D, ze znaczącym udziałem w całym rynku druku przestrzennego. Wraz z postępem industrializacji wytwarzania addytywnego jeszcze zyskuje na znaczeniu. Równocześnie rosną wymagania wobec niego, gdyż musi zapewniać rozwiązania ułatwiające projektowanie części do profesjonalnego użytku, w przypadku których zwykle lekkość jest ważnym wymogiem.
W rezultacie zwiększa się stopień jego komplikacji, gdyż wykorzystuje się w nim najnowsze rozwiązania, m.in. z zakresu optymalizacji topologii i generative design, czyli programowego tworzenia modeli 3D obiektów na podstawie wprowadzonych przez projektanta parametrów. To drugie wykorzystuje algorytmy sztucznej inteligencji.
Poza oprogramowaniem do projektowania i symulacji na znaczeniu w ostatnich latach zyskują też narzędzia z kategorii zarządzania procesami produkcyjnymi (workflow). Są one coraz częściej wymagane do optymalizacji i automatyzacji pracy powiększających się flot przemysłowych drukarek 3D.
DRUK 3D W PRZEMYŚLE
Chociaż jako podstawowe zastosowanie wytwarzania addytywnego w przemyśle z reguły wciąż jest wymieniane wykonywanie prototypów, zaraz za nim przedstawiane są jego ogromne zalety w razie wykorzystania go w produkcji (patrz ramka). Mimo że ich świadomość jest coraz większa, nadal jednak wiele przedsiębiorstw nie zdecydowało się jeszcze na wdrożenie druku przestrzennego na większą skalę.
W konsekwencji stopień upowszechnienia się tej metody produkcji znacznie różni się w zależności od branży. Jego analizy, jeżeli chodzi o stan na 2019 rok, podjęła się brytyjska firma AMFG, która dostarcza oprogramowanie na potrzeby wytwarzania addytywnego. Dalej przedstawiamy główne wnioski płynące z jej opracowania.
Na potrzeby tej analizy AMFG wyróżniło kilka poziomów wdrożenia druku 3D. Na najniższym są branże, w których potencjał wytwarzania addytywnego jest dopiero analizowany. Oznacza to, że zainicjowano dotychczas wiele projektów badawczo-rozwojowych i pilotażowych / pokazowych, ale brak jest realizacji praktycznych albo są one nieliczne.
Do kolejnej kategorii zaliczane są przedsiębiorstwa, które korzystają z druku przestrzennego w tworzeniu prototypów, a realizacji praktycznych tej technologii jest w ich przypadku więcej. Następny poziom obejmuje firmy, w których poza drukowaniem przestrzennym prototypów metodą tą wykonywane są narzędzia i niektóre z wyrobów końcowych. Znajdują się one na etapie, w którym zaczynają już opracowywać najlepsze praktyki, dopasowujące druk 3D do specyfiki swoich branż.
Na najwyższym poziomie, którego jak wynika z rysunku 1 nie osiągnięto jeszcze w żadnej gałęzi przemysłu, wytwarzanie addytywne uznawane będzie za technologię produkcji o ugruntowanej pozycji. Zostaną nawet dla niej opracowane standardy zapewniające powtarzalną jakość na dużą skalę.
