Drukarka 3D

Drukarka trójwymiarowa (3D) (ang. 3D printer) - to urządzenie wykorzystujące technologie addytywne w celu tworzenia obiektów trójwymiarowych, poprzez sukcesywne nakładanie warstw materiału. Pozwala to na przekształcanie cyfrowych modeli 3D w fizyczne przedmioty, znacznie upraszczając proces produkcji i prototypowania. Technologia druku 3D obejmuje wiele różnych procesów, takich jak stereolitografia (SLA), depozycja topionego materiału (FDM), czy sinterowanie laserowe (SLS) (K. Cichoń, A. Brykalski 2017, s. 156). Wszystkie te metody mają na celu tworzenie obiektów poprzez sekwencyjne nakładanie cienkich warstw materiału, które łączą się w trwałą całość. Druk 3D zrewolucjonizował wiele sektorów przemysłu, takich jak medycyna, lotnictwo, motoryzacja czy budownictwo. Dzięki możliwości szybkiego i precyzyjnego prototypowania, druk 3D przyczynił się do przyspieszenia rozwoju innowacji, zmniejszenia kosztów produkcji i zmiany sposobu projektowania. Dodatkowo, druk 3D umożliwia tworzenie bardziej złożonych i niestandardowych przedmiotów, których produkcja byłaby trudna lub niemożliwa za pomocą tradycyjnych metod.

TL;DR

Drukarka trójwymiarowa to urządzenie, które tworzy obiekty trójwymiarowe poprzez nakładanie warstw materiału. Druk 3D rewolucjonizuje wiele sektorów przemysłu, umożliwiając szybkie prototypowanie i zmianę sposobu projektowania. Najpopularniejsze technologie druku 3D to stereolitografia, depozycja topionego materiału i sinterowanie laserowe. Druk 3D wykorzystuje różne materiały, takie jak tworzywa sztuczne, metale, ceramikę, kompozyty i materiały biologiczne. Proces drukowania 3D składa się z projektowania modelu, przygotowania pliku, drukowania właściwego, chłodzenia i obróbki wykończeniowej. Zalety drukarek 3D to personalizacja, redukcja odpadów, złożoność konstrukcji, przyspieszenie procesu twórczego i oszczędność kosztów. Wady drukarek 3D obejmują ograniczenia materiałowe, czasochłonność, wydajność energetyczną, rozdzielczość i dokładność oraz zagrożenia dla własności intelektualnej.

Historia druku 3D

Era druku 3D rozpoczęła się w latach 80. XX wieku, kiedy Charles W. Hull, współzałożyciel firmy 3D Systems, dokonał przełomowego odkrycia w dziedzinie druku trójwymiarowego - w 1986 roku Hull opatentował pierwszą technologię druku 3D - technologię stereolitografii (SLA).

W latach 90. druk 3D zyskał na popularności w przemyśle, szczególnie w odlewnictwie, prototypowaniu i produkcji. Druk 3D ułatwiał szybkie tworzenie prototypów i skracał czas wprowadzania produktów na rynek. W tym okresie powstało wiele firm zajmujących się drukiem 3D, które przyczyniły się do rozwoju technologii i jej upowszechnienia. Jedną z nich było przedsiębiorstwo Stratasys, które opracowało technologię Fused Deposition Modeling (FDM).

W późniejszych latach pojawiła się technologia Selective Laser Sintering (SLS), opracowana przez Carla Deckarda i Joe Beamana.

W XXI wieku druk 3D zaczął być wykorzystywany w różnych dziedzinach, takich jak medycyna, architektura czy sztuka. W latach 2010-2020 nastąpił gwałtowny wzrost liczby dostępnych na rynku drukarek 3D. W 2009 roku upłynął patent na technologię FDM, co zaowocowało pojawieniem się licznych drukarek open-source (G. Mikuła, J. Woźniak, Ł. Przeszłowski, 2022). Drukarki 3D stały się bardziej przystępne cenowo, co przyczyniło się do ich rozpowszechnienia wśród entuzjastów, małych przedsiębiorstw oraz edukacji [Coward C. (2015)]

Najpopularniejsze technologie druku 3D

Stereolitografia (ang. Stereolithography) - SLA: Technologia druku 3D oparta na procesie fotopolimeryzacji. Wykorzystuje żywice fotopolimerowe, które utwardzane są za pomocą promieniowania ultrafioletowego (UV). Drukarka SLA składa się z zbiornika z żywicą oraz platformy, która zanurza się w żywicy o ustaloną głębokość. Promień UV utwardza warstwy żywicy według wzoru cyfrowego modelu, tworząc w ten sposób obiekt 3D. SLA cechuje się wysoką precyzją i rozdzielczością druku.

Depozycja topionego materiału (ang. Fused Deposition Modeling) - FDM: Technologia ta, znana także jako Fused Filament Fabrication (FFF), polega na ekstruzji rozgrzanego materiału, zazwyczaj termoplastycznych filamentów, przez dyszę. Drukarka FDM składa się z głowicy drukującej, która porusza się w trzech osiach (X, Y, Z), nakładając warstwy topionego materiału na podłoże. Po ostygnięciu i utwardzeniu, warstwy łączą się ze sobą, tworząc trójwymiarowy obiekt. FDM jest najbardziej popularną i dostępną technologią druku 3D.

Sinterowanie laserowe (ang. Selective Laser Sintering) - SLS: Technologia druku 3D, która polega na łączeniu proszkowych materiałów (np. tworzyw sztucznych, metali, ceramiki) za pomocą lasera, który topi i spaja proszek w miejscach odpowiadających modelowi 3D. SLS nie wymaga stosowania struktur wspierających, ponieważ niespięty proszek pełni rolę naturalnego wsparcia dla obiektu. Technologia ta pozwala na drukowanie złożonych struktur oraz ma zastosowanie w produkcji przemysłowej (G. Mikuła, J. Woźniak, Ł. Przeszłowski, 2022).

Materiały i surowce wykorzystywane w druku 3D

Termoplasty To grupa syntetycznych polimerów, które można topić i kształtować wielokrotnie w wyniku nagrzewania. W druku 3D najczęściej stosuje się:

• Polilaktyd (PLA) - biodegradowalny i przyjazny dla środowiska materiał o dobrej wytrzymałości i łatwości druku, popularny w przemyśle i użytku domowym.
• Akrylonitryl butadien styren (ABS) - wytrzymały i elastyczny materiał, odporny na wysokie temperatury, często wykorzystywany w przemyśle.
• Polietylen tereftalan (PETG) - trwały, elastyczny i odporne na chemikalia materiał, często stosowany w opakowaniach czy elementach mechanicznych.

Żywice Stosowane głównie w technologii SLA, żywice są cieczami, które utwardzają się pod wpływem promieniowania UV. Żywice mogą być dostosowane pod względem właściwości mechanicznych, elastyczności czy kolorystyki, co sprawia, że są popularne w modelowaniu czy prototypowaniu.

Metale Druk 3D z metalami, takimi jak stal nierdzewna, aluminium, tytan czy miedź, odbywa się za pomocą technik, takich jak SLS czy Binder Jetting. Wykorzystanie metalów w druku 3D pozwala na wytwarzanie wytrzymałych, precyzyjnych i trwałych elementów w przemyśle, medycynie czy lotnictwie.

Ceramika Druk 3D z ceramiką jest możliwy za pomocą specjalnych drukarek, które ekstrudują pasty ceramiczne lub wykorzystują proszki ceramiczne w technologii SLS. Drukowane obiekty ceramiczne muszą zostać wypalone w piecu, aby osiągnąć właściwości mechaniczne i chemiczne. Zastosowania obejmują prototypowanie, sztukę, elementy dekoracyjne oraz komponenty techniczne.

Materiały kompozytowe Materiały kompozytowe to kombinacje różnych materiałów, które mają na celu uzyskanie łączonych właściwości. Druk 3D z materiałów kompozytowych może obejmować druk z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym, szkłem czy kevlarem, co zwiększa wytrzymałość i sztywność obiektów. Inne kompozyty mogą zawierać materiały magnetyczne, przewodzące czy termochromowe.

Materiały biologiczne Bioprinting to technologia druku 3D, która wykorzystuje materiały biologiczne, takie jak żywe komórki, hydrożele czy biodegradowalne tworzywa sztuczne. Bioprinting ma zastosowanie w inżynierii tkankowej, regeneracyjnej medycynie, badaniach naukowych oraz farmakologii. Druk 3D z materiałami biologicznymi pozwala na tworzenie struktur, takich jak rusztowania dla hodowli komórek czy organów na potrzeby badań i transplantacji (M. Filipiak, J. Jajczyk 2015, s. 275).

Etapy druku 3D

Proces drukowania 3D można podzielić na następujące etapy:

1. Projektowanie modelu CAD - Tworzenie cyfrowego projektu 3D przy użyciu oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD).
2. Przygotowanie pliku STL - Konwersja modelu CAD na format pliku STL, który zawiera informacje o geometrii obiektu i jest kompatybilny z drukarkami 3D.
3. Przesyłanie danych do drukarki 3D - Wysyłanie pliku STL do drukarki 3D, często za pośrednictwem komputera lub karty pamięci.
4. Kalibracja drukarki 3D - Ustawienie drukarki 3D, aby zapewnić odpowiednią adhezję, grubość warstwy i dokładność drukowania.
5. Wybór materiału drukującego - Selekcja materiału, z którego zostanie wykonany obiekt, np. plastik, żywica, metal.
6. Drukowanie właściwe - Budowanie obiektu warstwa po warstwie, zgodnie z instrukcjami zawartymi w pliku STL, przez urządzenie drukujące 3D.
7. Chłodzenie i utwardzanie warstw - Proces chłodzenia i utwardzania kolejnych warstw materiału drukującego, aby zapewnić stabilność i trwałość obiektu.
8. Usuwanie wsparć i obróbka wykończeniowa - Eliminacja ewentualnych struktur wspierających oraz wykonanie obróbki wykończeniowej, takiej jak szlifowanie, malowanie czy lakierowanie, w celu osiągnięcia pożądanego wyglądu i właściwości obiektu (I. Chow-Miller 2018).

Zalety i wady drukarek 3D=====Zalety wykorzystania drukarek 3D obejmują=

1. Personalizacja: Druk 3D umożliwia tworzenie produktów dostosowanych do indywidualnych potrzeb użytkowników, co stanowi wartość dodaną w porównaniu do masowej produkcji.
2. Redukcja odpadów: Proces druku 3D, zwany również przyrostowym, ogranicza ilość odpadów, gdyż materiał jest dodawany warstwami tylko w miejscach, gdzie jest potrzebny.
3. Złożoność konstrukcji: Drukarki 3D pozwalają na tworzenie obiektów o skomplikowanych kształtach i strukturach, które byłyby trudne do wykonania przy użyciu tradycyjnych metod produkcyjnych.
4. Przyspieszenie procesu twórczego: Druk 3D umożliwia szybkie tworzenie prototypów, co z kolei przyspiesza proces innowacji i rozwoju nowych produktów.
5. Oszczędność kosztów: Druk 3D może obniżać koszty produkcji, zwłaszcza przy krótkich seriach, ponieważ redukuje potrzebę stosowania drogich form i narzędzi.

Wady wykorzystania drukarek 3D obejmują

1. Ograniczenia materiałowe: Wybór materiałów dostępnych dla druku 3D jest obecnie ograniczony, co wpływa na właściwości mechaniczne, termiczne oraz chemiczne wydrukowanych obiektów.
2. Czas druku: Proces druku 3D może być czasochłonny, szczególnie przy dużych obiektach, co sprawia, że nie zawsze jest to optymalne rozwiązanie dla masowej produkcji.
3. Wydajność energetyczna: Drukarki 3D, szczególnie te stosujące techniki topienia materiału, mogą zużywać dużo energii, co może wpływać na ich środowiskowy bilans.
4. Rozdzielczość i dokładność: Chociaż technologia druku 3D stale się rozwija, wciąż istnieją ograniczenia dotyczące rozdzielczości i dokładności, które mogą wpływać na jakość wydrukowanego obiektu.
5. Zagrożenia dla własności intelektualnej: Druk 3D ułatwia replikację i kopiowanie produktów, co może prowadzić do naruszenia praw autorskich i własności intelektualnej.

Drukarka 3D — artykuły polecane

CAE — Java — CAD — Program komputerowy — Nanotechnologia — JavaScript — Visual Basic — Inżynieria oprogramowania — Robotyka

Bibliografia

• Budzik G., Woźniak J., Przeszłowski Ł. (2022), Druk 3D jako element przemysłu przyszłości, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów
• Chow-Miller I. (2018), How Does 3D Printing Work?, Cevendish Square Publishing
• Cichoń K., Brykalski A. (2017), Zastosowanie drukarek 3D w przemyśle, Przegląd elektrotechniczny, nr 3
• Filipiak M., Jajczyk J. (2015), Aspekty budowy i eksploatacji drukarek 3D, Poznan University of Technology Academic Journals. Electrical Engineering, nr 82

Autor: Patryk Świgut