Jak działa druk 3D?

Na pomysł na ten artykuł wpadłem zaraz po napisaniu posta o działającym modelu łożyska, wydrukowanego w technologii PolyJet. Krótko wspomniałem tam o tym, jak właściwie działa druk 3D. Uznałem, że warto byłoby głębiej wejść w temat i wytłumaczyć trochę dokładniej zasadę działania drukarek 3D.

Wszystko zaczyna się od technologii

Podobnie jak w druku tradycyjnym, decydujące zdanie w kwestii tego jak maszyna drukuje, ma technologia w jakiej pracuje. W poligrafii mamy druk cyfrowy, offsetowy, flexodruk, sitodruk i wiele innych. Efekt końcowy jest podobny (zadrukowany arkusz papieru/tektury), jednak metoda dojścia do tego efektu jest inna. Różne technologie pozwalają też na druk na innych podłożach (np. na plastiku czy metalu). W druku 3D jest identycznie. Efektem końcowym jest gotowy model, jednak jego charakterystyka, przydatność do różnorakich zastosowań oraz metoda wykonania mogą być z goła różne.

Firma Stratasys, której jesteśmy partnerem, dostarcza rozwiązania oparte o technologię FDM (autorska Stratasys) oraz PolyJet, więc w tym artykule skupię się właśnie na nich – w końcu zajmując się nimi mamy też o nich największą wiedzę. Na końcu wspomnę jednak krótko o innych technologiach druku 3D, bo na PolyJet i FDM świat się przecież nie kończy.

Czasem słyszy się, że skoro wszystkie technologie służą do konstrukcji trójwymiarowych modeli, to stanowią one między sobą konkurencję. Różne technologie oznaczają różną metodykę wykonania modelu oraz użycie innych materiałów, co z kolei skutkuje różną charakterystyką gotowego wydruku. Różna charakterystyka powoduje, że z dobrodziejstw danych technologii korzystamy w różnych sytuacjach, do druku modeli o innych zastosowaniach. To sprawia, że ciężko mówić o konkurencji pomiędzy rozwiązaniami od Stratasys – PolyJet i FDM – technologie te doskonale się uzupełniają. Za obrazowy przykład mogą posłużyć maszyny rolnicze – nikt raczej nie powie, że firma produkująca ciągniki oraz kombajny kanibalizuje swoje własne produkty, ponieważ oba pojazdy, mimo że ogólnie służą do pracy na roli, wykonują sobie tylko przeznaczone, wyspecjalizowane zadania.

Jak działa druk 3D – niezależnie od technologii

Tyle tytułem wstępu, czas przejść do rzeczy. Druk 3D to technologia umożliwiająca przyrostowe budowanie trójwymiarowych obiektów. Budowanie przyrostowe, to termin opisujący w bardzo obrazowy sposób schemat działania maszyny. Drukując dany element, zaczyna ona od samego dołu nakładając na siebie kolejne warstwy. Model więc „rośnie” na naszych oczach. W zależności od technologii nakładanie warstw będzie się odbywało w nieco inny sposób a także z nieco innych materiałów, jednak ogólna zasada pozostaje dokładnie taka sama. Wszystko zaczyna się od modelu 3D zaprojektowanego na komputerze w oprogramowaniu CAD (np. SolidWorks). Model taki, odpowiednio przygotowany do druku i zapisany w formacie STL jest przeliczany i “cięty” na pojedyncze warstwy. Na tym etapie aplikacja dodaje też niezbędne podpory, jeżeli są one konieczne (ale o tym będzie oddzielny akapit). Po ukończeniu przeliczania „posiekany” model jest przekazywany do drukarki, dzięki czemu wie ona dokładnie gdzie głowica drukująca ma kłaść kolejne warstwy. Głowice także są elementem charakterystycznym dla danej technologii, jednak ogólna zasada ich działania, podobnie jak samego druku 3D, jest taka sama. Głowicą, podobnie z resztą jak w tradycyjnych drukarkach atramentowych, porusza zestaw bardzo precyzyjnych silników elektrycznych, ustawiając ją w żądanej pozycji. W odróżnieniu jednak od tradycyjnych drukarek, ruch odbywa się – w zależności od rozwiązania – na obu osiach X oraz Y, lub Z – wtedy, gdy to stół roboczy porusza się po osiach X, Y.

Jak działa druk 3D – technologia FDM

FDM to technologia wynaleziona i opatentowana właśnie przez Stratasys. Rozwinięcie skrótu brzmi Fused Deposition Modeling. Jest to technologia pracująca z materiałami wykorzystywanymi na co dzień w przemyśle. Jeśli połączymy to z relatywnie niską ceną oraz niemalże całkowitym brakiem wymagań lokalowych do umieszczenia maszyny (nawet profesjonalnej, przemysłowej) otrzymujemy bardzo wszechstronną i ciekawą metodę budowania trójwymiarowych modeli. Sam schemat działania jest dość prosty. Jak w całym druku 3D, detal budowany jest przyrostowo, warstwa po warstwie, za pomocą materiału termoplastycznego, nawiniętego na szpulę. Materiał jest pobierany przez maszynę do ekstrudera w formie włókna przypominającego nieco drut, gdzie pod wpływem wysokiej temperatury zmienia swój stan na półpłynny. Następnie trafia do dyszy ekstrudera która jest odpowiedzialna za nakładanie nadtopionego materiału na podłoże (lub na poprzednią warstwę). Materiał opuszczając ekstruder stygnie, odzyskując swoją stałą postać i właściwości fizyko-chemiczne. Jak wspomniałem na początku tego akapitu, FDM wykorzystuje materiały obecne w przemyśle. Wśród nich znajdziemy więc filamenty (inna nazwa dla materiału, którym drukuje maszyna) o zróżnicowanym stopniu twardości, wytrzymałości na rozciąganie lub zginanie, a także o różnej odporności na związki chemiczne. Dzięki temu druk 3D przestaje być już tylko narzędziem do budowy prototypów, ale może służyć także do konstruowania finalnych, pracujących części. Średnica filamentu najczęściej waha się w granicach 1,75 i 3 mm, natomiast grubość nakładanej warstwy od 0,09 do 0,33 mm. Oprócz materiału modelowego, maszyny często korzystają także materiału z podporowego, choć istnieją przypadki, że do konstruowania podpór także używa się materiału modelowego. Materiał stricte podporowy może być rozpuszczalny lub odłamywalny.

Jak działa druk 3D – technologia PolyJet

PolyJet, mimo że ogólna zasada pozostaje ta sama, dość znacząco różni się od FDMu. Technologia ta korzysta z materiałów fotoutwardzalnych i przypomina sposób pracy tradycyjnych drukarek atramentowych, w których karetka z dyszami porusza się po osi x pozostawiając na papierze maleńkie krople barwnika (Ink Jet Printing). W PolyJetcie rolę karetki przejmuje głowica natryskująca, wyposażona w dużą ilość dysz – w przypadku desktopowej serii Stratasys Objet jest to 96 dysz rozmieszczonych na długości 65mm i szerokości ok. 10 mm, dodatkowo mamy tu dwie głowice, jedną do materiału modelowego i jedną do podporowego. Głowice poruszają się po osi X oraz Y, natomiast w osi Z (dół, góra) porusza się stół roboczy. Przy każdym przejeździe głowica „wyrzuca” z siebie poprzez dysze materiał modelowy – ciekłą żywicę która natychmiast jest utwardzana za pomocą światła ultrafioletowego. W odróżnieniu od FDMu, mamy więc tutaj do czynienia z materiałem, który początkowo w stanie ciekłym, przechodzi po utwardzeniu do stanu stałego. Dlatego właśnie grupę materiałów do PolyJetu ze względu na ich właściwości nazywamy fotoutwardzalnymi. Dzięki niezwykłej dokładności (grubość warstwy wynosi nawet 16 mikronów) PolyJet świetnie sprawdza się w budowaniu niezwykle precyzyjnych modeli, z ultra cienkimi ściankami i skomplikowanymi kształtami. Niejako efektem „ubocznym” tej dokładności jest także świetna jakość powierzchni modelu, zwiększająca jego walory estetyczne – często modele od razu po wyjęciu z maszyny wyglądają lepiej niż obrobiony model FDMowy.

To o czym pisałem wyżej jest tylko wierzchołkiem góry lodowej. Zaliczająca się do PolyJetu technologia Connex3 pozwala na wykonywanie modeli niemal w każdym kolorze dzięki wykorzystaniu aż 4 głowic oraz materiałom modelowym w kolorach Cyan, Magenta, Yellow i Black (brzmi podobnie do druku tradycyjnego, prawda?). Stratasys ma także w swojej ofercie urządzenie, które ja osobiście nazywam magicznym, bo potrafi ono wykonywać niemal tak dokładne przejścia tonalne jak tradycyjne maszyny drukujące 2D. W praktyce oznacza to, że jest w stanie drukować model 3D w raz z nałożoną na niego kolorową teksturą. Popis możliwości Stratasys J750 możecie zobaczyć na naszym krótkim filmie z łososiem w roli głównej (tutaj) oraz we wpisie o medycznych fantomach (tutaj – wszystkie one zostały wydrukowane w jednym procesie druku!). Dodatkową zaletą technologii PolyJet jest obecność materiałów symulujących szkło (VeroClear) oraz gumę (Tango).

O co chodzi z tą podporą

Materiał podporowy, o którym możecie już troszkę przeczytać tutaj, służy do… podpierania modelu :). Ogólna zasada jest bardzo prosta – jeżeli mamy model posiadający nawisy – niech będzie to figurka człowieka z rozłożonymi rękami – maszyna budując go od dołu natrafi w końcu na nawis, czyli rozłożone kończyny. Nawet profesjonalna drukarka 3D nie jest w stanie drukować w powietrzu, posiłkuje się więc materiałem podporowym, który stanowi niejako rusztowanie dla budowy reszty modelu. Materiały podporowe różnią się w zależności od technologii, jednak posiadają też bardziej ogólny podział – na rozpuszczalne i odłamywalne. Rozpuszczalne są łatwo usuwalne w wodzie lub roztworach chemicznych, natomiast odłamywalne, jak sama nazwa wskazuje, odłamuje się od gotowego modelu. Każda metoda ma swoje plusy i minusy. Jeśli model nie ma skomplikowanego kształtu a podpór nie jest dużo, materiał odłamywalny sprawdzi się całkiem dobrze. Trzeba jednak pamiętać, że praktycznie niemożliwe jest idealnie równe usunięcie podpory i uzyskanie gładkiej powierzchni bez dodatkowych operacji. W przypadku materiału rozpuszczalnego, cała operacja trwa może nieco dłużej, ale pozwala na usunięcie podpory z trudno dostępnych miejsc oraz pozostawia lepszą jakość powierzchni. W niektórych przypadkach, charakterystyka modelu zupełnie wyklucza możliwość zastosowania podpory odłamywalnej – np. w modelu łożyska, o którym możecie poczytać tutaj.

Inne technologie druku 3D

Poza opisanymi tutaj technologiami istnieją także inne, mniej lub bardziej zbliżone metodyką. Jedną z bardziej popularnych jest technologia SLS, z której wywodzi się PolyJet. Poza SLS możemy wyróżnić także:
SLA – Polimeryzacja wiązką laserową
BPM – Wytwarzanie prototypów poprzez natryskiwanie kropel materiału
LOM – Wycinanie obrysu modelu na przyklejonej do poprzedniej warstwie papieru
SGC – Powierzchniowe naświetlanie i zestalanie ciekłego materiału za pomocą lampy UV
LENS – Topienie laserem, podawanego punktowo proszku metalu
SLM – Spiekanie laserowe proszków
Każda z tych technologii różni się od siebie metodyką działań prowadzących do powstania gotowego wydruku, jednak wszystkie one łączy przyrostowy sposób konstruowania modelu.

Kilka słów na koniec

Druk 3D jest obecnie coraz bardziej znany i nieco traci swój status kosmicznej technologii – to dobrze! Słowa „trafia pod strzechy” są może nieco na wyrost, jednak mam wrażenie, że niewiele mu już do tego brakuje. Aktualnie mamy dość wyraźny podział na maszyny profesjonalne i przemysłowe, desktopowe/biurowe oraz na maszyny najmniejsze i najtańsze, które można podciągnąć pod kategorię domowych. Ceny i możliwości są bardzo zróżnicowane – drukarkę 3D możemy kupić za 5 tyś. zł. albo za 750 tyś… euro, jednak nie jest to sytuacja w żaden sposób wyjątkowa. Zostając w tematyce druku, jednak konwencjonalnego, także możemy kupić drukarkę biurkową już za 150 zł, jednak gdybyśmy chcieli otworzyć drukarnię i zakupić 8 zespołową maszynę offsetową, ceny także zaczynają iść w setki tysięcy a nawet więcej. W tym momencie drukarki 3D towarzyszą wszystkim większym (i nie tylko) firmom konstrukcyjnym z bardzo wielu dziedzin – od motoryzacji po przemysł lotniczy. Dość powszechne jest też wykorzystywanie drukarek 3D w medycynie, do druku personalizowanych protez kończyn, wypełnień w zębach a nawet wewnątrz ludzkiego ciała. Na drukarkach 3D drukuje się także bardzo dokładne medyczne fantomy, które pomagają lekarzom przygotować się do trudnych i ryzykownych operacji. Technologia cały czas się rozwija, drukarki 3D mają coraz większe możliwości i drukują z coraz większej palety materiałów (nie tylko tworzyw sztucznych, ale także metalu).

Na sam koniec zapraszam do obejrzenia krótkiej reklamówki od Stratasys, która bardzo fajnie pokazuje możliwości i przyszłość druku 3D. Film jest oryginalnie w języku angielskim, jednak przetłumaczyliśmy go także na nasz ojczysty język – wystarczy włączyć napisy :).