Druk 3D >> Rodzaje, procesy, funkcje i materiały
Rozwój drukarek 3D był kamieniem milowym dla firm. Dzięki drukowi 3D można szybko i łatwo wyprodukować prototypy, małe serie czy części zamienne. To znacznie upraszcza i przyspiesza procesy w firmach. Ale drukarki to także przydatne narzędzie do użytku w zastosowaniach prywatnych, gdy potrzebna jest produkcja specjalnych części lub pojedynczych egzemplarzy. W artykule wyjaśnimy, jakie drukarki 3D istnieją na rynku, jak działają i na jakie różnice należy zwrócić uwagę. Ponadto podamy ważne informacje na temat druku 3D i przedstawimy kilka ciekawych wskazówek wynikających z praktycznego zastosowania urządzeń.
W klasycznej drukarce komputerowej tusz lub toner jest nakładany na arkusz papieru w celu utworzenia dokumentu tekstowego lub obrazu. Ponieważ aplikacja jest ograniczona do płaszczyzny papieru, wystarczy, że np. głowica drukująca porusza się od lewej do prawej strony lub że toner jest nanoszony w liniach.
Aby uzyskać inny kierunek druku, papier jest przenoszony przez drukarkę. W związku z tym gotowy wydruk jest dwuwymiarowy.
W przypadku drukarki 3D wydruk jest trójwymiarowy. Oznacza to, że wydrukowany obiekt ma długość i szerokość, a także wysokość. Z tego powodu drukarka 3D oprócz dwóch poziomych osi druku (oś X i oś Y) pracuje z osią pionową (oś Z).
Obecnie istnieje wiele różnych rozwiązań technicznych umożliwiających wydrukowanie obiektu 3D.
W produkcji subtraktywnym materiał jest usuwany z półfabrykatu poprzez piłowanie, frezowanie, wiercenie lub szlifowanie. Z kolei druk 3D to produkcja addytywna, ponieważ materiał jest dodawany do nieukończonego jeszcze przedmiotu.
Zalety wytwarzania addytywnego dla firm w porównaniu z klasycznymi procesami
Szybsza i bardziej opłacalna produkcja, na przykład dzięki niższym kosztom materiałów i redukcji błędów przy tworzeniu prototypów
Produkcja Just-in-time obiektów 3D, np. części zamiennych do maszyn
Funkcjonalne, złożone oraz filigranowe produkty drukowane dla komponentów, form wtryskowych itp.
Wysoka elastyczność procesu produkcyjnego poprzez wprowadzanie zmian ad hoc i szybkie wdrażanie zmian
Lekka konstrukcja: druk 3D umożliwia realizację kształtów, które są niemożliwe lub trudne do zrealizowania przy użyciu konwencjonalnych metod produkcji. Tym samym konstrukcje 3D wyznaczają nowe standardy w zakresie wagi, konstrukcji i stabilności.
Zalety wytwarzania przyrostowego dla użytkowników prywatnych
Produkcja wymaganych części w krótkim czasie
Indywidualizacja: dzięki drukarce 3D można tworzyć pojedyncze egzemplarze.
Mimo prywatnej, indywidualnej produkcji, wydrukowane części wyglądają profesjonalnie.
Zabawa w majsterkowanie i projektowanie
Nasza praktyczna rada: Przestrzegaj prawa autorskiego i prawa o znakach towarowych
Prawo autorskie np. w Niemczech ma zastosowanie do druku 3D. Oznacza to, że nie każdy szablon można dowolnie zmieniać, rozpowszechniać czy nawet drukować. Regulacje prawne dotyczą na przykład dzieł sztuki lub produktów markowych, do których stosuje się również prawo znaków towarowych. Zanim więc zaczniesz, warto zapoznać się z prawnymi regulacjami.
| Urządzenia podstawowe | Urządzenia klasy średniej |
Urządzeniaprofesjonalne | |
|---|---|---|---|
| Zakres cenowy | Do 2500 zł | 2500 - 6000 zł |
Powyżej 6000 zł |
| Przeznaczenie | Druk okazjonalny | Regularne drukowanie części | Przemysłowy druk 3D i małe serie |
| Grupa docelowa | Uczniowie i studenci Hobbyści |
Ambitni fani technologii | Firmy i warsztaty |
| Zalety | Niedrogie urządzenia Łatwe w użyciu |
Dobra lub bardzo dobra jakość druku Wysokiej jakości i stabilna mechanika Rozbudowane funkcje |
Profesjonalne wydruki w jakości przemysłowej Precyzyjna i trwała mechanika |
| Wady | Niska stabilność mechaniczna Dokładność wymiarowa wydruków Brakujące cechy |
Wysoka cena zakupu Częściowo złożona obsługa i ustawienia |
Bardzo wysoka cena zakupu Wysoki nakład druku wymagany do amortyzacji |
Jednak sama cena nie jest gwarancją udanego wydruku. Ponieważ jakość druku jest zależna od kalibracji drukarki i właściwych ustawień dla drukowania. Na pewno doświadczenie też jest wymagane, co szybko się okazuje podczas korzystania z urządzenia.
Jakie są koszty użytkowe druku 3D?
Oprócz kosztów zakupu, drukarka 3D ponosi również koszty eksploatacji. Te z kolei zależą od tego, jak często i jak długo pracuje drukarka oraz jaki materiał jest przetwarzany.
Koszty energii elektrycznej
Pobór mocy przez drukarkę 3D jest bardzo zróżnicowany. Dzieje się tak dlatego, że grzałki, silniki i wentylatory mają różne czasy przełączania. Ponadto filament ABS wymaga znacznie wyższych temperatur niż PLA. Koszty energii elektrycznej wynoszą średnio kilka centów na godzinę. Dla konkretnych wartości należy dokonać pomiaru na miejscu.
Materiały eksploatacyjne
W przeciwieństwie do kosztów energii elektrycznej, koszty wymaganych żarników są znacznie wyższe. Ale i tu ceny są zupełnie inne. Nawet jeśli markowy filament kosztuje znacznie więcej niż tani produkt no name, należy trzymać się markowej jakości. Szczególnie jeśli wybrane są optymalne ustawienia drukarki dla danego filamentu, a uzyskany obraz wydruku jest idealny.
Drukarka 3D służy do produkcji już istniejących lub samodzielnie zaprojektowanych trójwymiarowych obiektów o budowie warstwowej. Obiekt, który chcemy wydrukować musi być zatem dostępny cyfrowo jako model trójwymiarowy. Kompletne projekty 3D można pobrać z Internetu lub stworzyć je samodzielnie w odpowiednim programie CAD. Tutaj również istnieją obecnie bardzo dobre programy, z których można korzystać bezpłatnie w Internecie.
Aby z pliku CAD w drukarce 3D stworzyć realny obiekt, do drukarek dołączane jest odpowiednie oprogramowanie. Oprogramowanie to oblicza niezbędne ścieżki narzędzia i polecenia dla drukarki.
Proces osadzania topionego materiału w sposób swobodny
Proces swobodny nazywany jest również Fused Deposition Modelling (FDM) lub Fused Filament Fabrication (FFF). W tym procesie materiał do druku (filament) podawany jest w postaci drutu do rozgrzanej dyszy (ekstrudera).
Proces osadzania topionego materiału w sposób płynny
Stereolitografia (SLA) wykorzystuje płynną żywicę lub płynne tworzywa sztuczne, które twardnieją pod wpływem ciepła lub promieniowania UV. Laser jest używany do selektywnego napromieniowania i ze scalenia cieczy w zbiorniku.
Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
Materiałem wyjściowym do tego procesu drukowania jest drobny proszek z tworzywa sztucznego, piasku formierskiego pokrytego tworzywem sztucznym, metalu lub ceramiki. Proszek ten nakładany jest cienką warstwą na płytę drukarską. Następnie wiązka lasera topi proszek w pewnych miejscach, czyniąc go stałym. Następnie nakładana jest kolejna warstwa proszku i łączona z warstwą poniżej za pomocą wiązki laserowej. Po zakończeniu, obiekt 3D musi zostać uwolniony od otaczającego go proszku.
Selektywne topienie laserowe (SLM)
Selektywne topienie laserowe opiera się na tej samej zasadzie co selektywne spiekanie laserowe. W topieniu laserowym nie wykorzystuje się jednak plastikowego proszku, piasku czy ceramiki. Używany jest tylko proszek metalowy. Wytwarzane elementy mają wysoką gęstość właściwą, która wynosi ponad 99%. Oznacza to, że komponenty mają takie same właściwości mechaniczne jak materiał bazowy. Można jednak produkować również elementy o selektywnej gęstości, co jest wymagane w lekkich konstrukcjach dla przemysłu lotniczego lub implantów.
Nasza praktyczna wskazówka: zwróć uwagę na struktury wsporcze
W procesie druku FDM i SLA nie ma możliwości drukowania "w pustkę" przy budowaniu warstw. Jeśli mają być drukowane zwisy, należy zainstalować konstrukcje wsporcze od dołu. Te struktury nośne są później usuwane z gotowego obiektu 3D. Natomiast procesy druku SLM i SLA nie wymagają żadnych struktur nośnych. Puder, który nie jest naświetlany przez laser, a więc jest sypki, przejmuje funkcję podtrzymującą.
Przegląd najczęściej spotykanych procesów druku 3D
| Procesy druku addytywnego | Odpowiednie materiały do druku |
|---|---|
| Modelowanie polyjet i Fused Deposition Modelling (FDM, także Fused Filament Fabrication, FFF) | Termoplasty z dodatkami i bez dodatków |
| Stereolitografia (SLA) i cyfrowe przetwarzanie światła (DLP) | Ciekłe żywice syntetyczne |
| Selektywne spiekanie laserowe (SLS) | Polimery, ceramika, metale |
| Selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów | Metale |
Inne procesy drukowania obejmują Multi Jet Fusion (MJF), w którym warstwy proszku poliamidowego są selektywnie zwilżane cieczami termoprzewodzącymi i hamującymi ciepło. Pod wpływem lampy UV obszary z cieczą termoprzewodzącą ulegają następnie zestaleniu.
Proces drukowania proszkowego (3DP) działa podobnie jak drukarka atramentowa, wykorzystując kolorowe ciecze, które reagują ze spoiwem w warstwie proszku i zespalają go.
Drukarka 3D wykorzystująca proces polyjet lub modelowanie wielostrumieniowe (MJM) posiada głowicę drukującą z wieloma małymi dyszami, z których materiały fotopolimerowe nakładane są z dokładnością do punktu. Następnie utwardzanie odbywa się za pomocą światła UV.
Porównanie drukarek FDM i drukarek SLA
Ponieważ druk FDM i druk SLA są najpopularniejszymi, a także najbardziej rozpowszechnionymi metodami druku, wymieniliśmy bardziej szczegółowo funkcje i różnice tych dwóch typów drukarek.
Drukarka FDM
W procesie fusingu warstwowego wykorzystuje się różne tworzywa termoplastyczne (filamenty). Najczęściej spotykane filamenty to PLA, ABS, PETG, nylon, TPE i poliwęglany. Poprzez dodanie różnych materiałów, takich jak węgiel, włókna szklane, cząstki metalu, glina czy nawet drewno, nadaje się drukowanemu obiektowi 3D pożądane właściwości.
Jeśli drukarka 3D posiada dwa ekstrudery, można drukować obiekty dwukolorowe lub wykonać konstrukcję nośną za pomocą filamentu rozpuszczalnego w wodzie. Po zakończeniu, drukowany obiekt wystarczy umieścić na pewien czas w kąpieli wodnej, aby delikatnie usunąć strukturę nośną.
Maksymalny rozmiar obiektu do drukowania zależy od przestrzeni drukowania. Z kolei przestrzeń druku zależy od tego, jak bardzo głowica drukująca i taca drukująca mogą być odchylone w bok i na wysokość. Jeśli rozmiar gotowego obiektu przekracza objętość przestrzeni druku, należy wydrukować poszczególne subelementy, a następnie połączyć je lub skleić. Dzięki temu można łatwo wyprodukować zdalnie sterowany model samolotu o rozpiętości skrzydeł przekraczającej jeden metr.
Drukarka SLA
Drukarka SLA posiada zbiornik zawierający płynną żywicę lub płynne tworzywa sztuczne. Dzięki energii lasera ciecz jest selektywnie napromieniowana, co powoduje jej zescalenie. Tutaj również zabudowa odbywa się warstwa po warstwie.
Aby móc drukować odpowiednio wysokie obiekty 3D, drukarka musi posiadać duży pojemnik na płyn, który pomieści odpowiednią ilość płynu. Jest to jednak konieczne tylko wtedy, gdy zespół lasera jest umieszczony nad pojemnikiem. Dlatego niektórzy producenci idą w przeciwną stronę. Płyta drukarska, na której zbudowany jest obiekt, przesuwa się do kąpieli zanurzeniowej od góry, a naświetlanie za pomocą lasera odbywa się od dołu. Po wykonaniu pierwszej warstwy, dolna płyta jest podnoszona do góry i powstaje kolejna warstwa. W tym przypadku obiekt druku jest zbudowany od dołu do góry, ale zawieszony do góry nogami. W rezultacie wysokość wydruku jest znacznie większa niż głębokość tacy. Niemniej jednak, drukarki SLA są bardziej odpowiednie dla mniejszych, ale niezwykle szczegółowych obiektów 3D.
Dla lepszego porównania zestawiliśmy wady i zalety obu wariantów drukarek:
Tabela porównawcza drukarek 3D
| Typ | Zalety | Wady |
|---|---|---|
| FDM-Drucker | ✓ Ekonomiczna ✓ Odporne komponenty ✓ Duży obszar zadruku ✓ Brak konieczności intensywnego czyszczenia |
✗ Powierzchnia o strukturze rowkowej ✗ Średnia dokładność wykonania ✗ Wymagane struktury wsporne |
| SLA-Drucker | ✓ Szczegółowa powierzchnia ✓ Wysoka dokładność produkcji ✓ Możliwość zastosowania elementów przezroczystych |
✗ Tylko dla tworzyw sztucznych utwardzanych promieniami UV ✗ Powolny proces produkcji ✗ Tylko obiekty drukowane monochromatycznie ✗ Wymagane struktury wsporne ✗ Konieczność czasochłonnego czyszczenia |
Większość użytkowników, którzy chcą wejść w świat druku 3D, najpierw zastanawia się, jaki wariant drukarki wybrać. Do małych i drobnych wydruków z pewnością lepszym wyborem będzie drukarka SLA. Jeśli jednak mają być drukowane większe projekty, a właściwości materiału muszą być również dopasowane do aplikacji, zalecana jest drukarka FDM. Drukarki FDM różnią się jednak znacznie pod względem konstrukcji, jakości i ceny. Z tego powodu chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej cechom użytkowym tych drukarek:
Miejsce na wydruki
Wielkość przestrzeni wydruku jest określona jako oś X, Y i Z. Z reguły wynoszą one od 100 do 400 milimetrów na oś. Nie jest więc problemem produkcja większych lub wielu obiektów w jednym procesie druku.
Taca do drukowania
Tutaj występują warianty ogrzewane i nieogrzewane. Jeśli wymagasz wysokiej jakości, lepiej jest użyć podgrzewanego łóżka do drukowania. W ten sposób nic nie może się wypaczyć. Często dzieje się tak dlatego, że świeżo wydrukowane części są nierównomiernie rozgrzane i dlatego mogą mieć różny kształt. Podgrzewana płyta sprawia, że materiał stygnie wolniej, dzięki czemu różnice ciepła nie są zbyt duże. Należy koniecznie zwrócić uwagę na to, jaki filament jest drukowany, aby ustawić odpowiednie ciepło tacy drukującej. W przypadku PLA wystarczy na przykład temperatura 60 stopni Celsjusza.
Materiał tacy ma wpływ na przyczepność i rozkład temperatury. Zalecane są tu płyty ze szkła, ceramiczne lub z odlewu aluminiowego. Aby zapewnić optymalne przyleganie modelu do płyty drukarskiej podczas drukowania, odpowiednie są folie samoprzylepne, paski samoprzylepne lub spraye samoprzylepne. Można je stosować do ogrzewanych i nieogrzewanych tac.
Prędkość drukowania
Nawet jeśli wysokiej jakości urządzenia mogą drukować z prędkością około 300 milimetrów na sekundę, to często odbywa się to kosztem jakości. W połączeniu z odpowiednim filamentem, takim jak szybki PLA, zapewniają dobrą jakość nawet przy dużych prędkościach. Ponadto czasy drukowania ulegają jeszcze większemu skróceniu. Z kolei drukarki 3D dla początkujących są znacznie wolniejsze z wartościami w okolicach 60 mm/s.
Wysokość warstwy wydruku
Grubość nakładanego materiału do druku jest zmienna. Im cieńsza jest warstwa wydruku, tym drobniejszy i bardziej precyzyjny będzie ostatecznie model. Ponadto rowki pomiędzy poszczególnymi warstwami druku są mniej widoczne. Między innymi ta właściwość stanowi o różnicy pomiędzy drogimi i tanimi drukarkami 3D. Jednak wraz ze zmniejszeniem wysokości warstwy druku wzrasta czas potrzebny na wydruk.
Ekstruder i gorąca dysza
Ekstruder jest sercem drukarki 3D: on i gorąca dysza (hot-end) topią i kształtują filament i budują obiekt. Drukarki 3D posiadają jeden lub dwa ekstrudery.
Szczególnie do zastosowań profesjonalnych zalecane jest urządzenie z dwoma wyciskarkami (dual extruder). Lepsze wyniki drukowania można osiągnąć poprzez drukowanie struktur nośnych, na przykład wykonanych z rozpuszczalnego w wodzie PVA. Filigranowe podpórki można łatwo usunąć w kąpieli wodnej. Ponadto w jednym modelu można połączyć różne materiały, takie jak miękkie i twarde tkaniny lub kilka kolorów.
Filament
Ważnymi kryteriami dla filamentów są twardość, elastyczność i odporność na temperaturę. Materiał do druku w konwencjonalnym procesie FDM składa się zazwyczaj z filamentu PLA lub filamentu ABS.
PLA to naturalne tworzywo sztuczne, które ulega biodegradacji. Jest odporny na promieniowanie UV i łatwy w obróbce. Ponadto najlepiej przylega do szklanej płytki lub lustra zamontowanego na płycie drukarskiej podczas drukowania. Płyta grzewcza nie jest konieczna.
Ponadto istnieją filamenty wykonane z PLA z elementami z drewna, brązu, mosiądzu lub miedzi. Są one łudząco podobne do oryginalnego materiału w wyglądzie i dotyku. Dostępne są również żarniki przezroczyste lub świecące w ciemności.
PLA deformuje się w temperaturze 60 stopni Celsjusza. Nie nadaje się więc do przedmiotów takich jak kubki, które nagrzewają się podczas użytkowania lub mają kontakt z gorącymi materiałami.
Tworzywo ABS jest wykonane z ropy naftowej, jest odporne na uderzenia i mniej podatne na ciepło niż PLA. Dlatego nadaje się również do wykończenia, takiego jak polerowanie czy szlifowanie. Jest jednak trudniejsza w obróbce i wymaga podgrzewanej tacy w drukarce.
Ponadto, dla drukarek 3D dostępne jest dziś niemal każde tworzywo sztuczne - wysokowytrzymały poliwęglan czy odporny na ścieranie nylon. Poprzez wybór filamentu można idealnie dopasować właściwości drukowanego obiektu do jego przeznaczenia. Zawsze jednak znalezienie optymalnych ustawień drukarki dla danego filamentu jest nieco czasochłonne.
W jaki sposób drukarka otrzymuje swoje dane?
W praktyce okazało się przydatne skopiowanie plików drukarki na kartę SD, a następnie włożenie karty do gniazda kart w drukarce. Pod warunkiem, że drukarka oferuje taką możliwość. Jeśli drukarka jest podłączona do komputera tylko za pomocą kabla interfejsu, komputer musi być uruchomiony do czasu zakończenia drukowania przez drukarkę.
Jakie oprogramowanie jest potrzebne do drukarki 3D?
Oprócz oprogramowania wewnętrznego (firmware) używanego w drukarce, na komputerze musi być zainstalowane oprogramowanie drukarki. Popularnym oprogramowaniem dla drukarek 3D jest na przykład Repetier Host. Oprogramowanie to zawiera Slicer, który przekształca plik projektowy w format zrozumiały dla drukarki. Jeśli chcesz samodzielnie tworzyć obiekty do druku 3D, potrzebujesz również oprogramowania CAD. Obecnie są one oferowane bezpłatnie w internecie.
Czy tanie drukarki oferują gorszy efekt 3D?
Na to pytanie nie jest tak łatwo odpowiedzieć, ponieważ cena tylko w ograniczonym stopniu odzwierciedla jakość produktu. Zasadniczo jednak można powiedzieć, że dla dobrej jakości druku wymagana jest wysoka precyzja. Aby osiągnąć taką precyzję 3D, wymagane są wysokiej jakości komponenty i stabilna konstrukcja maszyny 3D.
Jakie są zalety podwójnych ekstruderów?
Drukarki 3D z podwójnymi ekstruderami oferują możliwość przetwarzania różnych filamentów w jednym zadaniu druku 3D. Mogą to być dwa filamenty PLA o różnych kolorach lub jeden wodoodporny i jeden rozpuszczalny w wodzie filament do struktur nośnych. Jednak ustawienie drukarki 3D z podwójnym extruderem jest znacznie bardziej skomplikowane i mniej odpowiednie dla początkujących.
Co to jest Rapid Prototyping?
W dosłownym tłumaczeniu rapid prototyping oznacza szybkie budowanie modeli. W przeciwieństwie do konwencjonalnej produkcji, która jest dość czasochłonna w przypadku pojedynczych sztuk, proces wytwarzania addytywnego pozwala na bardzo szybkie tworzenie prototypów o najwyższej jakości przy niewielkiej wiedzy.