Rodzaje i zastosowanie druku 3D

Drukowanie 3D staje się coraz bardziej popularne, ponieważ pozwala na tworzenie unikatowych przedmiotów wykonywanych według projektu użytkownika. Tworzone modele mogą być wykonywane nie tylko z tworzyw sztucznych, ale również z innych materiałów. Wydruki 3D są najczęściej stosowane jako modele i prototypy, jednak można je wykorzystywać również jako w pełni funkcjonalne części i podzespoły. Istnieje wiele technologii druku 3D.

Na czym polega druk 3D?

Druk 3D jest technologią, która pozwala na uzyskiwanie przedmiotów o trójwymiarowych kształtach wytwarzanych z materiałów termoplastycznych i żywic, a także metalu i surowców mineralnych. Dzięki specjalnym mechanizmom stosowanym w drukarkach 3D możliwe jest precyzyjne odwzorowywanie modeli cyfrowych tworzonych w programach CAD albo przy użyciu dedykowanych aplikacji. Wśród wielu urządzeń i technik druku można znaleźć zarówno rozwiązania przeznaczone do użytku domowego, półprofesjonalnego, jak i przemysłowego – informuje przedstawiciel firmy Copio, która specjalizuje się w druku tradycyjnym i trójwymiarowym.

Techniki pozwalające na druk 3D można podzielić zarówno ze względu na wykorzystywany w nich materiał, jak i sposoby nadawania mu kształtu i utwardzania. Najbardziej rozpowszechnioną technologią druku 3D jest używanie tworzyw sztucznych. Urządzenia tego rodzaju wykorzystują tworzywa dostarczane w formie cienkich żyłek nawijanych na bębny, które podczas druku przechodzą przez podgrzewającą je głowicę. Dużą popularnością cieszy się również stosowanie żywic światłoutwardzalnych, które są zestalane pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Nieco mniej popularne są urządzenia wykorzystujące materiały sproszkowane, które są następnie spajane w większe całości metodami chemicznymi, termicznymi albo elektromagnetycznymi. W ten sposób mogą być łączone materiały mineralne – gips i kwarc, ale także rozmaite metale.

Do najmniej skomplikowanych pod względem konstrukcji samego urządzenia i jego obsługi należą te drukarki 3D, które wykorzystują elementy termiczne w postaci grzałek elektrycznych. Nieco bardziej złożone technicznie są drukarki stosujące promieniowanie elektromagnetyczne czy to w postaci światła lasera, diody albo naświetlania UV. Technologie druku 3D z użyciem lasera są także wykorzystywane do stapiania lub spiekania materiału. W przypadku technologii chemicznych proszek, z którego powstaje wydruk, jest łączony niewielkimi kropelkami spoiwa, natryskiwanymi punktowo.

Technologie stosowane w druku 3D

Najbardziej rozpowszechnione systemy druku 3D to technologie wykorzystujące tworzywa sztuczne w postaci żyłek, tzw. filamentu. Drukarki tego typu określa się jako FDM (Fused Deposition Modeling) albo FFF (Fused Filament Fabrication). W trakcie druku filament jest odwijany z rolki i podawany ze stałą prędkością do głowicy. W niej ulega rozgrzaniu do temperatury, w której staje się płynny, a następnie jest podawany przez otwór o niewielkiej średnicy na stół roboczy, na którym nanosi się go warstwa po warstwie. Głowica drukująca lub stół roboczy, w zależności od konkretnego urządzenia, poruszają się w 3 osiach, kolejno odtwarzając strukturę przestrzenną zapisaną w specjalnie przygotowanym do druku pliku.

W druku metodą FDM/FFF stosuje się kilkanaście rodzajów tworzyw, zwykle można drukować m.in. z poliwęglanu (PC), polistyrenu (PS), poliamidu (PA), akrylonitrylo-butadieno-styrenu (ABS) czy też politereftalanu etylenu (PET). Parametry uzyskanego wydruku, jeśli chodzi o cechy wytrzymałościowe, zależą od rodzaju zastosowanego tworzywa i jego charakterystyki. Pod względem dokładności rezultat będzie połączonym efektem wielkości otworu dyszy oraz precyzją przesuwu głowicy lub stołu roboczego we wszystkich płaszczyznach. Im jest ona większa, tym bardziej dokładne detale mogą być oddane na powstającym wydruku.

Przy druku z żywic fotoutwardzalnych stosowane jest zupełnie inne podejście. Ze względu na specyfikę materiału jest on podawany w kolejnych warstwach, których wybrane fragmenty są kolejno utwardzane za pomocą fal elektromagnetycznych – lasera albo promieniowania UV. Ponieważ stosowane żywice są ciekłe, warstwy tworzy się, zwiększając ilość cieczy w pojemniku, będącym w tym przypadku stołem roboczym. W ten sposób warstwy przyrastają w miarę, jak naczynie z żywicą się zapełnia. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest użycie naczynia o określonych wymiarach, w którym przemieszcza się, systematycznie obniżając swoje położenie stolik, na którym naświetla się powstający model.

Najpopularniejszą metodą druku z żywicy fotoutwardzalnej jest tzw. stereolitografia, czyli druk SLA. W jej przypadku promień lasera naświetla kolejno wszystkie punkty drukowanej warstwy. Rozwinięciem tej technologii jest druk DLP. Najważniejszą innowacją jest tu rodzaj emisji światła. Jest ono emitowane przez projektor, który za każdym razem tworzy obraz całej warstwy, która ma być utrwalona. Takie rozwiązanie oznacza znacznie szybsze tempo pracy.

Największymi zaletami druku modeli za pomocą żywic są wysoka szybkość wydruku oraz bardzo duża precyzja, wynikająca m.in. z ograniczenia ruchu elementów mechanicznych do przemieszczania w jednej osi. Najpoważniejsze wady wiążą się z parametrami wykorzystywanego medium – niezbyt dobrą wytrzymałością mechaniczną.

Istnieją technologie druku za pomocą żywicy, które są połączeniem metod wykorzystywanych przy druku FDM/FFF oraz SLA/DLP. W jej przypadku druk odbywa się przez nakładanie kolejnych warstw, a żywica jest podawana z dyszy drukującej na określone miejsce i od razu utrwalana. Drukowanie w technologii Jettingu jest wykorzystywane w wielu odmianach różniących się między sobą liczbą pracujących jednocześnie głowic.

Nieco podobną zasadę do drukowania SLA/DLP wykorzystuje się przy druku z materiałów sproszkowanych. Przy technologii SLS (Selective Laser Sintering) drukowany obiekt jest tworzony przez naświetlanie laserem warstwy proszku. Po jej utrwaleniu stolik roboczy jest opuszczany, a na wierzchu umieszczana jest kolejna, niezwykle cienka warstwa. Na identycznej zasadzie działa drukowanie ze sproszkowanego metalu, czyli technologia DMP (Direct Metal Printing). W tym przypadku materiał jest spiekany laserem. Analogicznie, jeśli chodzi o sposób obsługi wykorzystywanego materiału działa drukowanie proszkowe z gipsu. W metodzie CJP (ColorJet Printing) stosuje się jednak utrwalanie chemiczne, za pomocą natryskiwanego punktowo spoiwa, które nie tylko wiąże gips, ale również może go barwić.

Technologią przeznaczoną do wykonywanie modeli z kwarcu jest Binder Jetting. Może ona być również stosowana do uzyskiwania trójwymiarowych modeli z metalu, wymaga to jednak dodatkowej obróbki termicznej już poza samą drukarką.

Wykorzystanie druku 3D

Druk 3D jest dziś stosowany w niemal wszystkich dziedzinach. Korzysta się z niego do prototypowania elementów, ale również do produkcji jednostkowej czy małoseryjnej. Za pomocą drukowania przestrzennego można uzyskać właściwie wszystkie elementy wykonywane z tworzyw sztucznych. Granicą możliwości są tu jedynie ograniczenia sprzętowe samych drukarek oraz konieczność odpowiedniego przygotowania modeli do druku.

Druk 3D jest bardzo szeroko używany hobbystycznie przy wykonywaniu różnych spersonalizowanych przedmiotów użytkowych – od figurek, po wszelkiego rodzaju podstawki, pojemniki i uchwyty. W zastosowaniach półprofesjonalnych i przemysłowych poza tworzeniem modeli druk 3D wykorzystuje się do budowania unikatowych części i podzespołów przy budowie maszyn i urządzeń, dorabianiu brakujących części i elementów, ale również do tworzenia form odlewniczych. Druk 3D sprawdza się wszędzie tam, gdzie seryjne metody wytwarzania z tworzyw sztucznych przez wtryskiwanie i wytłaczanie, czy z metalu za pomocą obróbki CNC są nieefektywne i zbyt kosztowne.

Druk 3D szczególnie chętnie wykorzystuje się też w medycynie. Jest używany przede wszystkim w zaawansowanej protetyce, pozwalając na tworzenie implantów kości czy elementów protez kończyn. Jest niezwykle użyteczny również przy tworzeniu dokanałowych aparatów słuchowych, a także w stomatologii.