Czym jest druk 3D?

Choć druk 3D wydaje się technologią całkowicie nową, to jego historia sięha II połowy lat 80. Właśnie wtedy dwóch innowatorów, niezależnie od siebie, opracowało technologie, które po wielu unowocześnieniach są stosowane do dziś: FDM i SLA. Obecna, oszałamiająca popularność drukowania przestrzennego, wynika zatem z faktu, że na świecie powstało wielu producentów, którzy dostrzegli w drukarkach 3D potencjał nie tylko przemysłowy czy naukowy, ale nawet edukacyjny oraz rozrywkowy. Ich projekty natrafiły natomiast na niszę. Dziś każdy maker, który chce samodzielnie projektować i wykonywać proste lub zaawansowane modele z tworzywa sztucznego, ma taką możliwość – wystarczy, że zaopatrzy się w drukarkę 3D i odpowiedni filament.

Czym jest druk 3D?

W najprostszym ujęciu druk 3D polega na przenoszeniu trójwymiarowego modelu, stworzonego w programie komputerowym, na rzeczywisty model przestrzenny. Określenie „druk” jest tu jak najbardziej uzasadnione, ponieważ tak, jak tradycyjna drukarka nanosi na płaską kartkę kolejne kropki atramentu, tak głowica drukująca „dokleja” do modelu 3D kolejne warstwy tworzywa sztucznego lub żywicy. Konkretna metoda dodawania kolejnych warstw zależy od tego, czy druk 3D wykonywany jest w technologii FDM, czy stereolitograficznie.

Druk 3D w technologii FDM

Drukarki 3D pracujące na bazie filamentów najmocniej zbliżają się w swojej idei do tradycyjnych urządzeń drukujących. Zasadniczą częścią ich konstrukcji jest ruchoma głowica, w której znajduje się podgrzewana najczęściej do min. 250^oC dysza drukująca. Do dyszy poprzez rurkę (najlepiej teflonową, ze względu na jej odporność na wysokie temperatury) podawany jest filament, czyli długie, tworzywowe włókno o okrągłym przekroju i średnicy najczęściej 1,75 mm. Filament nawinięty jest na szpulę, zamocowaną do obudowy drukarki lub kontrolera i przesuwany przez specjalne, obracające się koła zębate. W dyszy drukarki 3D materiał ten ulega ciągłemu podgrzewaniu i topieniu. Płynne tworzywo podawane jest na (również podgrzewany) stół roboczy, a następnie na stworzonej w ten sposób „podstawie” głowica drukarki 3D umieszcza kolejne, cienkie warstwy, które szybko zastygają. Maksymalna grubość pojedynczej warstwy filamentu nie przekracza najczęściej 0,3 – 0,4 mm, choć im jest ona cieńsza, tym gładszą powierzchnię ma drukowany model.

Od czego zależy jakość wydruku?

Dokładność wydruku – a więc finalna jakość projektu – zależy od wielu czynników. Do najważniejszych należą: precyzja (dokładność) głowicy, jakość spasowania poszczególnych elementów drukarki 3D, sposób ochrony konstrukcji przed generowanymi drganiami i wstrząsami, a nawet zdolność do uzyskania i utrzymania odpowiedniej temperatury dyszy oraz stołu roboczego. Należy także pamiętać, że klucz do sukcesu to dobór odpowiedniego filamentu. Najpopularniejszy jest tu PLA, ze względu na jego dostępność i nietoksyczność. Ten materiał sprawdza się idealnie w większości zastosowań domowych, edukacyjnych, a nawet w przedsiębiorstwach, które drukują na drukarkach 3D prototypy urządzeń czy też części mechanicznych. Wada PLA to niestety jego zachowanie podczas obróbki. Jeśli gotowy model wymaga dalszych prac (np. nawiercania), lepiej zastosować filament ABS. Podczas jego użytkowania należy pamiętać o dokładnym wietrzeniu pomieszczenia, w którym znajduje się drukarka 3D. Oczywiście zakres dostępnych na rynku filamentów jest znacznie szerszy – obejmuje on także TPU, filamenty z włókna węglowego, nylonowe itp. Przed zastosowaniem danego tworzywa trzeba sprawdzić, czy drukarka jest do niego przystosowana.

Druk 3D w technologii SLA

Metoda stereolitografii (SLA) jest nieco starsza, niż FDM. Model w drukarce 3D tworzony jest nie „w powietrzu”, a w płynnej żywicy. Platforma robocza zanurzona w pojemniku z tym materiałem ulega naświetlaniu – pod wpływem lasera czy promieniowania UV (w pokrewnej technologii UV-LCD) kolejne warstwy żywicy ulegają utwardzeniu, przywierając do warstw utwardzonych wcześniej. Drukarki 3D pracujące w tej technologii dostarczane są w zamkniętych obudowach i niestety mniej nadają się do użytkowania w domu, ze względu na intensywny zapach oparów powstających w trakcie procesu wytwórczego. Na rynku są jednak dostępne urządzenia, które – dzięki filtrom oraz wentylatorom – eliminują ten problem. W zamian za wspomniane niedogodności, użytkownicy drukarek 3D do stereolitografii otrzymują znacznie bardziej szczegółowe i gładsze modele, niż te wytwarzane w technologii FDM. Właśnie dlatego pracownie jubilerskie czy dentystyczne korzystają raczej z UV-LCD, niż z druku filamentami. Zaawansowane modele urządzeń drukujących pozwalają na skrócenie czasu pracy nad pojedynczym elementem nawet do kilku minut, co jest ogromnym osiągnięciem.

Jakie możliwości daje druk 3D?

Dla nowoczesnych drukarek 3D żadnego problemu nie stanowi tworzenie modeli z jednoczesnym wykorzystaniem dwóch lub nawet trzech filamentów o różnych kolorach. Dzięki temu możliwa jest nawet produkcja efektownych wizualnie modeli cieniowanych – choć można wskazać bardziej praktyczne aspekty takiego druku, np. wtedy, gdy tworzymy pomoce naukowe do celów edukacyjnych. Jeśli w danym projekcie znajdują się elementy niepołączone bezpośrednio z podstawą (a więc ze stołem roboczym), niezbędne jest uwzględnienie w projekcie specjalnych podpór, które po wykonaniu modelu usuwa się albo… rozpuszcza. Oczywiście tak zaawansowana technologia produkcji dostępna jest tylko w niektórych modelach drukarek 3D. Jednak każdy użytkownik urządzenia do druku przestrzennego może uwzględnić w swojej pracy wsporniki – proste lub np. dendrytowe, a więc łatwiejsze do oderwania – i wykonać taki element nawet na zwykłej, domowej drukarce 3D.

Dlaczego modele komputerowe nie zastąpią druku 3D?

Projekty opracowywane w programach komputerowych pozwalają wprawdzie na niezwykle dokładne obejrzenie danego elementu, jego przybliżenie, powiększenie czy też wykonanie rzutów i dokumentacji technicznej. Jednak w wielu zastosowaniach – jak choćby w medycynie – sam obraz na płaskim ekranie okazuje się niewystarczający. Zespoły chirurgów często decydują się dziś np. na wydruk modelu serca, aby przećwiczyć na nim konkretne działania przed skomplikowanymi operacjami. W przypadku naukowego czy przemysłowego prototypowania ogromne znaczenie ma natomiast fakt, że wydruk to przedmiot, który można poddać testom i obserwacjo, umieścić w funkcjonującym urządzeniu. W wielu przypadkach na wysokiej klasy drukarkach 3D wykonuje się nawet części zamienne na potrzeby serwisów (jest to możliwe ze względu na szerokie spektrum dostępnych filamentów).

Podsumowanie

Choć druk 3D wydaje się innowacją, tak naprawdę rozwijany jest już od ponad 30 lat. To popularność nowo powstających urządzeń drukujących sprawiła, że technologia ta na dobre opuściła zamknięte laboratoria naukowców, a nawet hale przemysłowe i stała się dostępna dla wszystkich. Użytkownicy na całym świecie mogą przebierać w modelach drukarek 3D, filamentach, żywicach światłoutwardzalnych, a nawet w… gotowych projektach do wydruku, publikowanych przez coraz liczniejsze platformy on-line. W takiej sytuacji idea samodzielnego wytwarzania praktycznie dowolnych przedmiotów powoli staje się faktem.