Zasadnicza większość otaczających nas przedmiotów została wykonana za pomocą tradycyjnych, znanych od wielu lat metod obróbki materiałów. Choć jedna z pierwszych technik druku przestrzennego – stereolitografia (SLA) – została opracowana już w 1984 roku, to jej wykorzystanie w masowej produkcji jest mało opłacalne. Mimo że zapewnia dużą precyzję i możliwość uzyskania skomplikowanej struktury wewnętrznej, nieosiągalnej w przypadku obróbki skrawaniem, wymaga zastosowania bardzo drogich urządzeń i substancji chemicznych. W uproszczeniu metoda ta polega na selektywnym utwardzaniu warstw żywicy za pomocą promieni lasera.
TECHNOLOGIA PRZYSZŁOŚCI
Druk przestrzenny daje zupełnie nowe możliwości tworzenia przedmiotów codziennego użytku. Rozwój technologii pozwala na jej zastosowanie już nie tylko w procesie szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping), ale i wytwarzania (Rapid Manufacturing).
Nieco podobna, jeśli idzie o użyte materiały, ale zgoła różna pod względem sposobu ich nanoszenia jest technika PolyJet. W tym rozwiązaniu ruchoma głowica selektywnie nakłada kolejne warstwy żywicy akrylowej i materiału podporowego, a następnie cała warstwa jest utwardzana promieniami UV. Materiał podporowy – żywica FC-705 – po utwardzeniu ma postać żelu, który z gotowego elementu jest wypłukiwany za pomocą wody pod wysokim ciśnieniem. Zaletą metody jest duża dokładność (warstwa materiału może mieć grubość nawet 0,014 mm) oraz większa niż w przypadku SLA szybkość. Jako że utwardzana jest każda nanoszona warstwa, nie ma potrzeby naświetlania gotowego elementu za pomocą promieni ultrafioletowych, jak dzieje się w przypadku stereolitografii. Rozwinięciem PJ jest PJM (PolyJet Matrix), które umożliwia wykorzystanie w jednym procesie żywic o różnych właściwościach mechanicznych. Mieszając je, można uzyskiwać materiały kompozytowe i budować elementy wielomateriałowe, czyli np. złożone zarówno z części twardych, jak i elastycznych.
Powyższe zdjęcia przedstawiają tę samą figurkę wydrukowaną z użyciem różnych grubości warstw. Na wydrukach po lewej stronie wyraźnie widać warstwy i nierówności na powierzchni. Wydruk z warstwą grubości 100 μm jest niemal całkiem gładki. Wybór grubości zależy od rodzaju elementu, jaki chcemy wydrukować.
Prosta w założeniach i dość tania jest technologia LOM (Laminated Object Manufacturing). Polega ona na nakładaniu na siebie kolejnych warstw z wyciętego materiału. Tym ostatnim może być np. papier z naniesionym klejem czy folia PCV. Dość uciążliwe jest w opisanej metodzie usuwanie materiału podporowego, ale niska cena eksploatacji rekompensuje tę niedogodność. Dostępna jest maszyna LOM, na której można generować modele z użyciem zwykłych kartek A4. Dzięki dodatkowej głowicy możliwe jest drukowanie na papierze, a co za tym idzie wykonywanie wielokolorowych modeli 3D. Metodę LOM da się wykorzystać do tworzenia modeli odlewniczych, ma ona jednak pewne ograniczenia: minimalna grubość ścianki modelu to “aż” 1 mm, a tworzenie niektórych ażurowych struktur okazuje się problematyczne. Selektywne spiekanie laserowe (SLS) polega na nanoszeniu warstw proszku tworzywa sztucznego i spiekaniu ich za pomocą lasera. Najczęściej używa się w tym celu poliamidów lub polistyrenu, w zależności od przeznaczenia gotowego modelu. Wykorzystując poliamidy, można tworzyć wytrzymałe konstrukcje o bardzo cienkich ściankach. Brak konieczności zastosowania podpór (wystarczający jest w tym celu niespieczony proszek) umożliwia generowanie bardzo skomplikowanych struktur. Prócz wymienionych wyżej do zalet SLS należy zaliczyć szeroką gamę materiałów do tworzenia modeli, a wśród nich takich, które nadają się do tworzenia odlewów do zastosowania w metodzie modelu traconego. Plusem są też stosunkowo niskie koszty eksploatacji, zaś minusem wysokie ceny komponentów maszyny, oraz konieczność przygotowania odpowiedniego zaplecza do pracy z pylącym budulcem. Z uwagi na duży skurcz poliamidu konieczne jest odpowiednio długie chłodzenie komory, w której powstawał wydruk – w przeciwnym wypadku nierównomierne wystudzenie elementów prowadziłoby do ich deformacji. Selektywne spiekanie laserowe jest z powodzeniem wykorzystywane zarówno w prototypowaniu, odlewnictwie, jak i w produkcji krótkich serii.
Druk przestrzenny metodą FFF przypomina działanie pistoletu na rozgrzany klej. Filament w postaci drutu (ABS, PLA, nylon itp.) jest przeciągany pomiędzy rolkami ekstrudera (jedna z rolek jest zębata, aby umożliwić precyzyjne podawanie filamentu). Blok rozgrzewający topi filament, aby dało się go przecisnąć przez cienką dyszę. Rozgrzany materiał układany jest warstwami, a po ułożeniu każdej z nich stół (lub głowica drukująca) jest odsuwany od wydruku o grubość warstwy.
Opatentowana przez firmę Z-Corporation metoda 3DP polega na nakładaniu warstwowo gipsowego proszku na przemian ze spoiwem. Ważną zaletą tej metody jest możliwość sporządzania wydruków kolorowych poprzez barwienie spoiwa, podobnie jak dzieje się w drukarkach atramentowych. Ze względu na używany materiał technologia ta jest wykorzystywana głównie do tworzenia makiet.
Drukarka dla Kowalskiego?
Jedną z popularniejszych i obecnie najtańszych w zastosowaniu metod druku przestrzennego jest FDM (Fused Deposition Modeling), polegająca na nakładaniu na siebie kolejnych warstw rozgrzanego materiału. W dużym uproszczeniu zasada działania przypomina tę znaną z pistoletów na klej. Materiał – najczęściej ABS, PLA, nylon lub inne polimery – jest przeciskany przez rozgrzaną dyszę i układany warstwami. Dla każdej warstwy najczęściej jako pierwsze drukowane są ścianki elementu, a następnie wypełniany jest środek. Dzięki możliwości zastosowania szerokiej gamy materiałów o dużej wytrzymałości termicznej, chemicznej i mechanicznej metoda ta sprawdza się nie tylko w szybkim prototypowaniu (Rapid Prototyping), ale także w produkcji (Rapid Manufacturing). Przełomowym wydarzeniem w przypadku technologii FDM było uwolnienie części patentów należących do Stratasys. Wpłynęło to na rozwój projektu RepRap, bodaj najpopularniejszego i do dziś najbardziej rozwiniętego systemu FDM typu Open Source (Jako że “Fused Deposition Modeling” i “FDM” są zarejestrowanymi znakami towarowymi Stratasys, przy projekcie RepRap stosuje się nazwę Fused Filament Fabrication, w skrócie FFF.). Jego założeniem było stworzenie biurkowej drukarki przestrzennej, którą można zbudować za mniej niż 1000 euro. Drugim założeniem jest samoreplikacja, czyli możliwość wydrukowania dużej części elementów nowej drukarki na wcześniej zbudowanym urządzeniu RepRap. Na bazie projektu RepRap również na polskim rynku powstało kilka projektów drukarek 3D, jak choćby modyfikacje Mendla, Prusa i3 i Mendel90 czy CB-Printer, Factory 1.0, Profabb 2, RepCraft 1.3, ZMorph, golemD.
Dzięki drukarkom przestrzennym można wydrukować niemal wszystko. Ograniczeniem jest wyobraźnia twórcy. Własne projekty obudów na smartfony, dopasowane do potrzeb koła zębate czy stworzone na wymiar egzoszkielety zamiast gipsu – to tylko niektóre z zastosowań. Na drukarce 3D da się też wydrukować broń, np. słynnego Liberatora.
Powyżej przedstawiamy możliwości zastosowania drukarek przestrzennych oraz udowadniamy, że w niedalekiej przyszłości mają one szansę stać się jednym z podstawowych narzędzi każdego majsterkowicza. W kolejnych numerach CHIP-a pokażemy, jak samodzielnie i za nieduże pieniądze zbudować drukarkę 3D. Zapraszamy do wydania papierowego.
Foto: Michał (Yru) Liberda; thingiverse.com; jakevilldesign.dunked.com/cortex; wired.co.uk; reprap.org
