Przegląd metod przemysłowego druku 3D

Zaletą druku przestrzennego 3D jest możliwość szybkiego prototypowania, urzeczywistniania projektów bez konieczności wytwarzania form, czasochłonnego modyfikowania mechaniki i ustawień maszyn oraz urządzeń. Analizując prototyp, można łatwiej dostrzec wady modelu i zmodyfikować projekt w taki sposób, by je wyeliminować. Prototyp może być również inspiracją do uproszczenia wybranych elementów. Brak konieczności dostępu do indywidualnych narzędzi czy form umożliwia eliminację kosztów początkowych w fazie projektowania produktu, więc prototypowanie lub krótkie serie produkcyjne wykorzystujące technologię druku 3D są opłacalne ekonomicznie.

Druk 3D eliminuje do absolutnego minimum odpady, głównie stanowi je materiał z podpór. Jest to niewątpliwą przewagą metody przyrostowej wytwarzania produktów nad metodami subtraktywnymi, gdzie odpadów nie da się wyeliminować. Metoda przyrostowa wytwarzania umożliwia również wytwarzanie przedmiotów o skomplikowanych kształtach, które trudno osiągnąć, stosując obróbkę materiałową.

Ograniczenia

Jednym z największych ograniczeń szerszego zastosowania druku 3D w przemyśle jest czas wydruku, który dla niewielkich elementów o wymiarach kilku centymetrów wynosi od kilkudziesięciu minut do kilku godzin – w zależności od stopnia złożoności drukowanego elementu. Problematyczny jest również ograniczony katalog materiałów, z których można wydrukować model techniką druku 3D. Dosyć istotnym ograniczeniem jest również obszar roboczy urządzenia – wraz z jego rozszerzaniem znacząco rośnie cena drukarki. Modele wydrukowane w technice 3D nie są całkowicie jednolite, ponieważ są budowane w formule warstwa po warstwie. W związku z powyższym są mniej wytrzymałe i bardziej kruche, w szczególności przy działaniach mechanicznych w jednym z kierunków.

Istotnym ograniczeniem druku 3D jest konieczność stosowania podpór. Wynika to z tego, że materiał nie może być nanoszony w powietrzu i elementy, które znajdują się pod dużym kątem nachylenia od osi pionowej i nie mają połączenia z podstawą, muszą być tymczasowo drukowane na podporach. Niestety usuwanie podpór powoduje często pojawianie się niedoskonałości na powierzchni detalu. Konieczne może okazać się wygładzanie lub piaskowanie. Dobrą praktyką jest stosowanie do budowy podpór materiałów rozpuszczalnych, które łatwiej usunąć po zakończeniu procesu drukowania.

Metody druku

Dostępnych jest klika metod druku przyrostowego, każda z nich ma swoje zalety i ograniczenia, każda znajduje nieco inne zastosowanie i korzysta z innej gamy materiałów.

FDM

FDM (Fused Deposition Modeling) to metoda druku 3D opracowana przez Stratasys, która polega na ogrzewaniu i stapianiu materiału oraz umieszczaniu go warstwowo na platformie roboczej, na której materiał przechodzi w stan stały. Gdy warstwa zastygnie, następuje zjazd platformy o zdefiniowaną wysokość, a zaraz potem nakładanie kolejnej warstwy stapianego materiału. Przez wzgląd na fakt, że nazwa metody FDM została zastrzeżona, producenci określają ją mianem FFF (Fused Filament Fabrication) lub LPD (Layer Plastic Deposition).

Drukarki pracujące z użyciem metody FDM mogą być wyposażone w jedną lub kilka głowic – dodatkowe mogą służyć do produkcji podpór. Materiał budulcowy stanowi filament, czyli termoplastyczne tworzywo w formie żyłki nawiniętej na szpulkę. Jest on ogrzewany i stapiany w ekstruderze, czyli komponencie drukarki 3D, który ma za zadanie uplastyczniać i podawać filament w określonym tempie i ilości.

Technologia FDM umożliwia tworzenie prototypów, narzędzi i gotowych produktów, można je poddawać obróbce mechanicznej, np. wierceniu, szlifowaniu czy frezowaniu. FDM jest najbardziej rozpowszechnioną z metod, istnieje wiele sprawdzonych rozwiązań, wielu doświadczonych użytkowników, a materiały są powszechnie dostępne. Należą do nich wytrzymały i podatny na odkształcenia ABS, odporny na ścieranie i chemikalia nylon, sztywny PC, drogi ale ognioodporny i odporny na chemikalia ULTEM. Wadą stosowania metody FDM jest konieczność dodatkowej obróbki i stosowania podpór, co jest szczególnie uciążliwe w przypadku użycia tylko jednej głowicy przez drukarkę. Omawiana metoda ma również niższą dokładność wymiarową.

SLA

SLA (Stereolitography) to kolejna z metod druku przyrostowego. Została opracowana przez Charlesa Hulla, a polega na utwardzaniu płynnej żywicy fotopolimerowej za pomocą źródła laserowego. Źródło selektywnie naświetla wybrane obszary poszczególnych warstw drukowanego obiektu na powierzchni wanny, w której znajduje się żywica. W ten sposób powstaje przekrój o grubości kolejnej warstwy. Ścieżka poruszania się źródła wpływa na kształt warstwy. Obrazowo można to porównać do kolorowania rysunku kredką. Każdorazowo po utwardzeniu warstwy następuje zanurzenie platformy roboczej o grubość warstwy, ruch zgarniacza wyrównujący powierzchnię i eliminujący ewentualne pęcherzyki, a finalnie utwardzanie kolejnego przekroju. Gdy zostanie naświetlona ostatnia warstwa, gotowy przedmiot jest płukany alkoholem izopropylowym i naświetlany w specjalnych skrzyniach utwardzających w celu uzyskania odpowiednich właściwości mechanicznych oraz termicznych, w tym pożądanej twardości. W rozwiązaniach biurowych istnieją drukarki o odwróconej konfiguracji, w których źródło jest umieszczane pod zbiornikiem.

Zaletą metody SLA jest możliwość uzyskania bardzo skomplikowanej struktury wewnętrznej elementu oraz dużej dokładności i gładkiej powierzchni. Wadą jest konieczność naświetlania po procesie utwardzania kolejnych warstw, brak możliwości uzyskania wielobarwnych elementów oraz większa kruchość elementów niż ma to miejsce w przypadku metod wykorzystujących materiały termokurczliwe.

Metoda SLA znajduje zastosowanie w wytwarzaniu personalizowanych produktów medycznych – elementów aparatów słuchowych czy modeli ortodontycznych. Jako utwardzany materiał mogą posłużyć, oprócz standardowej żywicy, żywica odlewnicza, droższa żywica wysokotemperaturowa sprawdzająca się, gdy wymagana jest duża odporność na działanie wysokiej temperatury, biokompatybilna żywica dentystyczna odporna na ścieranie czy żywica kauczukopodobna.

PolyJet

Kolejną metodą druku 3D jest Polyjet, polega na natryskiwaniu żywicy fotopolimerowej. Materiał budulcowy nanoszony warstwa po warstwie jest utwardzany światłem UV generowanym przez laser lub diodę wbudowaną w głowicę. Pomiędzy kolejnymi warstwami platforma robocza jest opuszczana.

Metoda PolyJet wykorzystywana jest do wytwarzania wielobarwnych elementów o różnych barwach, tonach i fakturach. Jej zaletą jest możliwość zastosowania rozpuszczalnego materiału podporowego. Ponadto uzyskiwane powierzchnie są gładkie i nie wykazują efektu schodkowatości. Możliwe jest drukowanie skomplikowanych kształtów z realnie odwzorowanymi kolorami. Wadą stosowania metody PolyJet jest światłoczułość wytwarzanych elementów, przez co ich właściwości mechaniczne mogą z czasem ulec degradacji.

Metodę wykorzystuje się głównie do wytwarzania finalnych wersji prototypów, ponieważ jakość elementów drukowanych za jej pomocą jest wysoka.

SLS

Kolejną z metod druku 3D jest SLS (Selective Laser Sintering), opracowana przez Carla Deckarda, a polega na nanoszeniu cienkich warstw proszku i selektywnym utwardzaniu ich promieniami lasera. Dokładnie taki sam mechanizm wykorzystują tradycyjne drukarki laserowe. Wiązka padająca na naniesioną ścieżkę z proszku powoduje jego spiekanie.

Zaletą omawianej metody jest brak konieczności stosowania podpór ze względu na podtrzymywanie przez proszek, którego nadmiar otacza wydruk. Nadmiarowy proszek może być ponownie wykorzystany i nie stanowi odpadu. Metoda SLS umożliwia tworzenie przedmiotów o dosyć dużym skomplikowaniu geometrii oraz pozwala na budowę wysokich elementów. Ponadto elementy odznaczają się wysoką precyzją wykonania. Wadą metody SLS jest to, że wydrukowane elementy mają powierzchnię ziarnistą i są porowate,. Aby uzyskać gładką powierzchnię należy poddać ją dodatkowej obróbce. Ponadto drukowane elementy wykazują znaczną podatność na kurczenie oraz odkształcanie, w związku z czym trudno jest precyzyjnie wydrukować elementy o niewielkich średnicach, takich jak rowki oraz otwory.

Do druku metodą SLS stosuje się proszki poliamidowe oraz polistyrenowe. Najpowszechniejszy jest Poliamid 12 bez domieszek lub z dodatkiem aluminium dla uzyskania metalicznego wyglądu, włókien szklanych dla zwiększenia odporności na ścieranie i wysoką temperaturę, z dodatkiem włókien węglowych dla osiągnięcia wyższej sztywności oraz z dodatkiem środków zmniejszających palność dla zwiększenia stopnia ognioodporności. Rzadziej zastosowanie znajdują Poliamid 11 czy PEEK.

DMLS

DMLS (Direct Metal LaserSintering) to inna z metod druku przyrostowego, której metodyka jest zbliżona do SLS. Drukarki DMLS są wyposażene w źródła laserowe o dużo większej mocy, proszek nie jest spiekany, tylko przetapiany.

Zaletą metody DMLS jest możliwość druku metalowych elementów – głównie aluminiowych. Drukowane elementy są bardzo trwałe i wytrzymałe przy zachowaniu niewielkiej masy. Wadą są relatywnie duże koszty wytwarzania oraz konieczność zapewnienia odpowiednich warunków środowiskowych.

W metodzie DMLS materiałem drukarskim jest proszek metaliczny stanowiący mieszankę metali lub metali i proszków ceramicznych. Mogą to być stal nierdzewna, stal narzędziowa, stop aluminium, odporny na korozję stop tytanu, twardy i odporny na ścieranie superstop kobaltowo-chromowy, superstop niklu, ale również metale szlachetne. Metoda jest wykorzystywana do druku form do wtryskarek, form odlewniczych, produkcji narzędzi, uchwytów, matryc.

DLP

DLP (Digital Light Processing) to metoda druku, która korzysta z żywic światłoutwardzalnych jako materiału budulcowego. Na warstwę budulca emitowany jest przez projektor obraz, który po utwardzeniu jest unoszony, dając miejsce kolejnej warstwie i kolejnemu obrazowi emitowanemu z projektora. Zaletą tej metody jest dobre odwzorowanie szczegółów, co jest przydatne w takich dziedzinach, jak medycyna, jubilerstwo i elektronika.

Zastosowanie druku 3D

Druk 3D znajduje szerokie zastosowanie w różnych branżach przemysłu i usług. Przykładowo w przemyśle motoryzacyjnym jest wykorzystywany do prototypowania elementów nowych modeli samochodów, do produkcji drobnych elementów konstrukcyjnych o wysokim stopniu złożoności, których wytwarzanie metodami konwencjonalnymi jest zbyt trudne lub wręcz niemożliwe. Bywa, że wybrane elementy stosowane przy produkcji dzięki drukowaniu są dostępne szybciej niż w dostawie, zamawiane od kooperantów. Jest to niezwykle ważne, aby nie dochodziło do przestojów produkcyjnych podczas montażu wynikających z braku wybranych elementów.

Druk 3d to metoda stosowana w celu obniżenia masy poszczególnych elementów zarówno w motoryzacji, ale również w lotnictwie. Elementy konstrukcyjne samolotów, dzięki którym można odciążyć poszczególne komponenty są wykonywane z tytanu i aluminium. Druk może być również wykorzystywany do produkcji żaroodpornych elementów ze stopów niklu, kobaltu i chromu o wysokim stopniu skomplikowania stosowanych w silnikach lotniczych i rakietowych.

Druk 3D sprawdza się również w branży narzędziowej i przetwórstwie tworzyw sztucznych. Przykładowo służy do wytwarzania niezbędnych części zamiennych, produkcji oprzyrządowania oraz wkładek do form wtryskowych i form odlewniczych ze zintegrowanymi kanałami chłodzącymi.

Ważną gałęzią przemysłu korzystającą z druku 3D jest przemysł zbrojeniowy. Druk może być wykorzystywany do uzupełniania bieżących potrzeb w terenie, szybkiego wytwarzania wyposażenia oraz części zamiennych do urządzeń. Drukarka 3D może znajdować się w kontenerze i być obsługiwana przez wojska inżynieryjne bezpośrednio na obszarach objętych działaniami wojennymi. Zabezpiecza to nagłe potrzeby, nie ma konieczności oczekiwania na dostarczenie elementów na zagrożone obszary.

Drukarki 3D o bardzo dużych wymiarach są stosowane w budownictwie. Mogą wytwarzać elementy konstrukcyjne budynków a także całe budynki, co jeszcze niedawno wydawało się nierealne. Z kolei architekci za pomocą druku 3D wykonują modele projektowanych obiektów, tym samym mogą w formie makiety zaprezentować swoją wizję, aby lepiej trafić do wyobraźni inwestorów i klientów.

Druk 3D znajduje zastosowanie w medycynie. Dzięki biozgodnym materiałom ubytki kości mogą zostać wypełnione indywidualnie zaprojektowanymi wszczepami. Wydrukowane mogą zostać protezy, implanty i gorsety. Ponadto w celu szybszej regeneracji tkanek stosuje się rusztowania wydrukowane z biozgodnych materiałów. Drukowanie 3D jest bardzo powszechnie wykorzystywane w stomatologii i protetyce. Używając tej metody przyrostowej, można wykonać tytanowe implanty na podstawie zdjęć uzębienia pacjenta oraz korony i mosty ze stopów kobaltu i chromu.

Druk 3D jest też stosowany w edukacji – można drukować różnorodne pomoce dydaktyczne: matematyczne – np. modele brył przestrzennych, biologiczne – np. modele narządów, organów, organizmów, historyczne – np. narzędzia, astronomiczne – np. modele planet. Ważnym aspektem jest również wspomaganie kształcenia przyszłych inżynierów. Dzięki drukowi 3D mogą rozwijać swoją kreatywność oraz trenować wyobraźnię przestrzenną. W archeologii i muzealnictwie drukowanie jest wykorzystywane przy tworzeniu trójwymiarowych modeli zabytków. Umożliwiają one prezentację wyglądu przedmiotów, których fragmenty zostały odnalezione.

Parametry urządzeń

Oprócz obsługiwanej technologii druku, decydując się na konkretną drukarkę 3D, należy zwrócić uwagę na szereg innych parametrów. Jednym z nich jest obsługiwany obszar budowy modelu, który determinuje maksymalne wymiary drukowanego obiektu.

Kolejnym jest rozdzielczość druku – im wyższa, tym dokładniejszy będzie wydruk i więcej szczegółów będzie możliwych do uwidocznienia. Na osiąganą rozdzielczość bezpośredni wpływ mają użyte do budowy drukarki mechanizmy – ich rodzaj i jakość oraz dokładność pozycjonowania silników. W druku 3D można rozróżnić rozdzielczość poziomą i pionową. Pozioma, czyli XY, to najmniejszy ruch, który może wykonać mechanizm drukujący w obrębie warstwy. Pionowa – to minimalna grubość warstwy, jaką może nałożyć i utrwalić drukarka podczas wykonywania jednego przebiegu. Rozdzielczość wpływa na jakość detali, którą można osiągnąć, korzystając z danego urządzenia. Im większa rozdzielczość, tym gładsza będzie powierzchnia otrzymanego modelu.

Warto zwrócić uwagę na deklarowaną przez producenta urządzenia dokładność, czyli parametr opisujący stopień pokrywania się wymiarów wydrukowanego obiektu z wymiarami modelu zaprojektowanego w programie typu CAD. Z dokładnością wiąże się precyzja, czyli powtarzalność wymiarów obiektów drukowanych na urządzeniu w kolejnych cyklach oraz tolerancja, czyli wielkość błędu przy wydruku.

Bardzo ważna jest szybkość wydruku, w szczególności, gdy drukowane obiekty są dużych rozmiarów i są dosyć rozbudowane. Należy jednak pamiętać, że duża szybkość druku może obniżać jakość i dokładność wydruku. Wybierając model drukarki, należy sprawdzić, ile i jakie materiały drukarskie może ona obsługiwać. Warto również sprawdzić, czy oprogramowanie do obsługi drukarki jest intuicyjne, łatwe w obsłudze i pozwala sprawnie przygotowywać i edytować modele przed drukowaniem.

Usługi

Jedną z usług powiązanych z drukiem 3D jest skanowanie 3D, które umożliwia uzyskanie szczegółowego opisu modelu 3D. Na opis składa się kształt zeskanowanego obiektu – jego geometria w postaci chmury punktów lub siatki trójkątów oraz informacja o kolorze i teksturze. Następnie pozyskany model może zostać przetworzony w programie typu CAD, a w dalszej kolejności być wydrukowany.

Skanery 3D można podzielić na dotykowe i bezdotykowe. Częściej stosowane są te z drugiej grupy. Wyświetlają na obiekcie specjalny wzór, a detektory odczytują jego zakrzywienie na obiekcie, otrzymane dane są przetwarzane za pomocą dedykowanego oprogramowania, w wyniku czego powstaje wynikowa chmura punktów lub siatka trójkątów. Inną metodą jest pomiar czasu powrotu wiązki lasera, który pozwala na precyzyjne wyznaczenie odległości lasera od mierzonego punktu.

Skanowanie może być przydatne w przypadku braku dokumentacji detalu. Przestrzenny model może powstać bez konieczności pomiarów i projektowania od podstaw w programie CAD. Skanowanie może być również stosowane podczas kontroli jakości, tworząc mapy odchyleń drukowanych elementów. Działy utrzymania ruchu mogą wykorzystywać skanowanie w przypadku braku części zamiennych i zamienników oraz ich dokumentacji technicznych do serwisowanych maszyn i urządzeń. Kolejnym zastosowaniem skanowania 3D może być archiwizacja obiektów, ich digitalizacja, tworzenie wirtualnych baz. Aby model był kompletny i dokładny, należy odpowiednio dobrać pozycje skanowania oraz ich ilość. Wymaga to doświadczenia. Należy pamiętać, że koszt skanera 3D oraz odpowiedniego oprogramowania jest niemały.

Inną usługą związaną z drukiem przyrostowym jest projektowanie i optymalizacja projektów za pomocą oprogramowania CAD. Doświadczenie w projektowaniu jest wskazane, aby drukowanie przynosiło oczekiwane efekty. Wiąże się z tym tworzenie bazy dokumentacji i cyfrowych magazynów części, z których w każdej chwili można pobrać plik i przekazać do drukarki w celu wytworzenia. Projektowanie i odpowiedni dobór materiału to bardzo ważne zadania, które w największym stopniu wpływają na efekt końcowy, czyli jakość i funkcjonalność produktu. Firmy oferujące usługi projektowania proponują również optymalizacje istniejących projektów, w szczególności w sposób taki, który wpływa na oszczędność materiału i ograniczenie czasu trwania procesu druku.

Kolejną usługą bezpośrednio powiązaną z drukiem 3D jest obróbka wydruków. W celu zwiększenia atrakcyjności wydruku, osiągnięcia lepszych efektów wizualnych oraz dotykowych, wydruk można poddać obróbce mechanicznej lub chemicznej. Wydrukowane elementy mogą być szpachlowane, szlifowane, malowane, lakierowane, składane i łączone z częściami metalowymi, elementy żywiczne mogą być poddawane ekspozycji UV, zaś elementy spiekane laserowo barwione i polerowane.

Na rynku funkcjonuje wiele firm zajmujących się wspomnianymi usługami. Jedną z nich jest Sieć Badawcza Łukasiewicz – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP. Firma oferuje usługi druku 3D, skanowania 3D oraz projektowania. Można również skorzystać z kompleksowej oferty projektowania i wytwarzania prototypów oraz gotowych produktów zgodnych ze wstępnymi założeniami odbiorcy. Uwzględnia ona dowolne materiały od polimerów do metali i ich stopów.

Firma Baza3D oferuje skanowanie z dokładnością 0,05 mm, drukowanie metodami FDM i SLA, projektowanie – tworzenie koncepcji i modeli przestrzennych oraz wizualizowanie w trójwymiarze.

Z kolei 3DGence proponuje swoim odbiorcom usługę druku metodami FDM, SLA, SLS, DMLS i Polyjet, modelowanie 3D, skanowanie przedmiotów o wymiarach od 5 cm do 4 m z dokładnością 0,05 mm, chemiczną oraz mechaniczną obróbkę wydruków – sklejanie, składanie, ekspozycję UV, polerowanie, barwienie powierzchni, szlifowanie, szpachlowanie, malowanie i lakierowanie.

Co dalej?

Nowe metody, nowe materiały, nowe technologie – to szansa na dalszy rozwój druku 3D. Każdy sposób na zwiększenie szybkości druku, który nie wpływa drastycznie na dokładność oraz rozdzielczość będzie krokiem milowym w jeszcze szerszym zastosowaniu drukarek 3D w przemyśle i usługach. Aktualnie dostępne materiały, metody i wiedza umożliwiają dalszy rozwój druku 3D, co wydaje się być procesem niezagrożonym.

source: Automatyka 4/2025