Podstawy technologii druku 3D. Najpopularniejsze metody druku 3D i ich zastosowanie. 

Druk 3D to technologia, która zdobywa coraz większą popularność i wpływa na wiele dziedzin naszego życia. Pozwala na tworzenie prototypów i wyrobów o skomplikowanych kształtach oraz personalizowanie produktów zgodnie z indywidualnymi potrzebami. To narzędzie, które otwiera drzwi do kreatywności i innowacyjności w wielu dziedzinach, od medycyny i architektury po edukację i produkcję przemysłową.

W niniejszym artykule przybliżymy podstawy technologii druku 3D. Skupimy się na trzech najpopularniejszych technologiach druku 3D -  FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography) i SLS (Selective Laser Sintering). Przeanalizujemy zasady działania tych technologii, ich zastosowanie w prototypowaniu oraz wady i zalety każdej z nich.

Co to jest druk 3D? 

Druk 3D, znany również jako Additive Manufacturing (AM) i  to proces wytwarzania trójwymiarowych obiektów na podstawie cyfrowego projektu (zazwyczaj używa się do tego programów typu CAD). Obiekt jest tworzony przy użyciu specjalnej drukarki 3D, która odczytuje cyfrowy model  i przekształca go w fizyczny przedmiot. Proces rozpoczyna się od podzielenia modelu, a następnie drukarka nakłada materiał w odpowiednich miejscach, tworząc kolejne warstwy, aż do uzyskania pełnego trójwymiarowego obiektu.

Zastosowanie druku 3D

Druk 3D ma wiele zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, medycyna, architektura, edukacja, sztuka i wiele innych. Może być wykorzystywany do tworzenia prototypów, narzędzi, części zamiennych, biżuterii, elementów medycznych, a nawet całych budynków. Druk 3D daje możliwość elastycznego i szybkiego tworzenia przedmiotów o różnych kształtach, strukturach i materiałach.

Druk 3D to ogromny potencjał dla zmian w sposobie projektowania i tworzenia. Otwiera nowe możliwości dla innowacji, kreatywności i produkcji. Jedną z największych zalet druku 3D jest jego możliwość personalizacji i dostosowania do indywidualnych potrzeb. Można tworzyć niestandardowe, unikalne obiekty, które spełniają konkretne wymagania użytkownika. Co ważne, technologia druku 3D znacznie skraca czas produkcji i zmniejsza koszty. 

Najpopularniejsze technologie Druku 3D

Istnieje wiele metod druku 3D, ale trzy z nich cieszą się największą popularnością i znacznym uznaniem w branży. Są to FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography) i SLS (Selective Laser Sintering). Każda z tych technologii ma swoje unikalne cechy, zastosowania i ograniczenia, co sprawia, że sprawdzają w różnych branżach i projektach. Wybór odpowiedniej technologii zależy m.in. od wymagań projektu, materiałów, precyzji, wielkości obiektu i innych czynników.

Technologia SLA

Technologia SLA (Stereolithography) jest jedną z najpopularniejszych i najstarszych technologii druku 3D. Jest to opatentowana metoda, podczas której za pomocą wiązki laserowej lub światła UV, warstwa po warstwie, utwardza się specjalną, fotosensybilną żywicę, aż do stworzenia trójwymiarowego modelu. 

Proces druku w technologii SLA rozpoczyna się od wczytania modelu 3D do oprogramowania drukarki. Następnie drukarka tworzy warstwę cienkiej żywicy na specjalnej platformie, a wiązka laserowa lub światło UV skanuje obszar, na którym żywica ma zostać utwardzona. Utworzona warstwa utwardza się, a platforma opada o grubość jednej warstwy, umożliwiając tworzenie kolejnych warstw modelu. Po zakończeniu druku, model jest usuwany z platformy, a nadmiar nieutwardzonej żywicy jest usuwany.

Zalety technologii SLA (Stereolithography):

• Doskonałe wykończenie powierzchni. Technologia SLA pozwala na drukowanie modeli o bardzo gładkich powierzchniach, co jest szczególnie przydatne przy tworzeniu detali o wysokiej jakości estetycznej.
• Precyzja.  Druk 3D w technologii SLA zapewnia wysoką precyzję i dokładność, umożliwiając tworzenie detali o bardzo delikatnych kształtach i małych rozmiarach.
• Szeroki wybór materiałów. Technologia SLA to duży wybór fotopolimerów, co umożliwia dostosowanie materiału do konkretnych wymagań projektu, takich jak twardość, elastyczność, odporność chemiczna itp.
• Możliwość tworzenia skomplikowanych geometrii.  Dzięki zdolności druku warstwowego, technologia SLA umożliwia tworzenie modeli o skomplikowanych kształtach i wewnętrznych strukturach, które są trudne do osiągnięcia w innych metodach.
• Zastosowania w medycynie. Technologia SLA jest często wykorzystywana w medycynie do tworzenia modeli anatomicznych, protez, aparatów ortodontycznych itp.

Wady technologii SLA:

• Koszty materiałów. Materiały używane w technologii SLA są stosunkowo drogie w porównaniu do innych metod druku 3D.
• Czasochłonność. Drukowanie w technologii SLA może zająć dużo czasu, szczególnie przy tworzeniu skomplikowanych modeli lub dużych obiektów o dużej objętości.
• Post-processing. Po zakończeniu druku, modele drukowane w technologii SLA wymagają post-processingu, takiego jak usunięcie nadmiaru żywicy, polerowanie powierzchni, a czasem również utwardzenie dodatkowym źródłem światła UV.
• Bezpieczeństwo i toksyczność.  Niektóre żywice stosowane w technologii SLA mogą być toksyczne i wymagają zachowania odpowiednich środków ostrożności podczas obsługi i utylizacji materiałów.
• Wrażliwość na światło. Materiały stosowane w technologii SLA mogą być wrażliwe na światło UV, co oznacza konieczność przechowywania ich w ciemnym lub zabarwionym środowisku, aby uniknąć przedwczesnego utwardzania.

Technologia FDM

Technologia FDM (Fused Deposition Modeling), znana również jako FFF (Fused Filament Fabrication), jest jedną z najpopularniejszych i najbardziej dostępnych metod druku 3D. W technologii FDM drukarka 3D korzysta z termoplastycznego filamentu, który jest topiony i nanoszony warstwa po warstwie, aż do utworzenia trójwymiarowego modelu. .

Proces druku w technologii FDM rozpoczyna się od wczytania modelu 3D do oprogramowania drukarki. Następnie drukarka rozpuszcza filament w grzałce i nakłada go na platformę drukującą, tworząc pierwszą warstwę obiektu,  filament jest ponownie nanoszony,  aż do uzyskania finalnego przedmiotu.

Zalety technologii FDM (Fused Deposition Modeling):

• Łatwość obsługi. Technologia FDM jest stosunkowo prosta w obsłudze, co czyni ją dostępną nawet dla osób bez specjalistycznej wiedzy technicznej. Jest to jedna z najbardziej popularnych metod druku 3D, zarówno wśród amatorów, jak i profesjonalistów.
• Niskie koszty.  Drukarki 3D oparte na technologii FDM zazwyczaj są bardziej przystępne cenowo, niż te do druku w technologii  SLA czy SLS. Jest to szczególnie atrakcyjne dla osób, które chcą zacząć przygodę z drukiem 3D bez większego obciążenia finansowego.
• Duży wybór materiałów. Technologia FDM oferuje szeroki wybór termoplastycznych filamentów, takich jak PLA, ABS, PETG, Nylon itp. Dzięki temu można dostosować materiał do konkretnego projektu. 
• Wielkość i skala. Technologia FDM umożliwia wydruk modeli o dużej rozpiętości rozmiarów. Drukarki 3D oparte na FDM mogą drukować zarówno małe modele jak i większe elementy, w zależności od rozmiaru i pojemności stołu roboczego.

Wady technologii FDM:

• Ograniczona precyzja. Druki wykonane w technologii FDM zazwyczaj nie są tak precyzyjne jak te wykonane metodami SLA czy SLS. Ograniczenia te wynikają z rozmiaru dyszy drukarki i procesu nanoszenia materiału, co wpływa na jakość detali i dokładność.
• Konieczność zastosowania podpór. W niektórych przypadkach, zwłaszcza przy drukowaniu skomplikowanych geometrii, konieczne jest stosowanie podpór. Są one usuwane po zakończeniu wydruku.
• Ograniczenia w projektowaniu. Technologia FDM ma pewne ograniczenia związane z projektowaniem. Niektóre kształty, takie jak cienkie ścianki, ostre kąty czy skomplikowane detale, mogą być trudne do wydrukowania. 
• Wykończenie powierzchni. Powierzchnia wydruków FDM może wymagać dodatkowego wykończenia, takiego jak szlifowanie lub malowanie.

Technologia SLS 

Technologia SLS (Selective Laser Sintering) ma długą historię w branży druku 3D i jest jedną z najbardziej znanych i niezawodnych technologii wytwarzania przyrostowego. Wydruk odbywa się w szczelnej komorze, gdzie wiązka laserowa spieka sproszkowany materiał. Podczas spiekania proszku, komora jest podgrzewana do temperatury tuż poniżej jego punktu topnienia. Po spieczeniu jednej warstwy, platforma zmienia położenie, a mechanizm uzupełnia warstwę proszku, po czym proces zostaje powtórzony. Technologia SLS nie wymaga stosowania dodatkowych podpór, ponieważ otaczający wydruk proszek sam pełni rolę podparcia.

W porównaniu z technologiami SLA i FDM, technologia SLS umożliwia tworzenie najbardziej skomplikowanych modeli. Możemy drukować funkcjonalne prototypy z ruchomymi elementami, które mogą być poddane testom w tunelach aerodynamicznych lub innym rodzajom eksperymentalnych testów, a także końcowe elementy w małych lub umiarkowanych ilościach. 

Zalety technologii SLS:

• Brak konieczności stosowania dodatkowych podpór. Technologia SLS nie wymaga stosowania podpór, ponieważ proszek otaczający wydruk pełni rolę podparcia. To ułatwia i przyspiesza proces drukowania oraz pozwala na tworzenie bardziej skomplikowanych geometrii.
• Wysoka jakość i precyzja. Technologia SLS pozwala na uzyskanie wysokiej jakości wydruków o precyzyjnych detalach i doskonałym wykończeniu powierzchni. To sprawia, że jest idealna do produkcji prototypów i skomplikowanych elementów.
• Duży wybór materiałów. Technologia SLS umożliwia drukowanie z różnych materiałów, w tym tworzyw termoplastycznych, elastomerów, wosków, a nawet metalowych proszków. To daje użytkownikom szerokie możliwości tworzenia.
• Wytrzymałe i funkcjonalne wydruk. Dzięki spieczonemu proszkowi, wydruki w technologii SLS są wytrzymałe i mogą być stosowane w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, medycyna, motoryzacja czy lotnictwo.
• Wydruk z ruchomymi elementami. Technologia SLS pozwala na drukowanie modeli z ruchomymi elementami wewnątrz, co otwiera nowe możliwości projektowania i produkcji.

Wady technologii SLS (Selective Laser Sintering):

• Kosztowna. Technologia SLS jest droższa niż inne metody druku 3D, zarówno pod względem kosztu drukarki, jak i materiałów do druku.
• Specjalne warunki pracy. Proces SLS wymaga specjalnej drukarki i kontroli środowiska pracy, takich jak kontrola temperatury i zapewnienie odpowiedniej atmosfery w komorze drukarki.
• Skomplikowane czyszczenie. Po zakończeniu druku, nadmiar niespieczonego proszku musi zostać usunięty. Proces ten może być czasochłonny i wymagać specjalistycznego sprzętu.

Zastosowanie druku 3D w projektowaniu i prototypowaniu. 

Technologia druku 3D, niezależnie od metody użytej do jej realizacji, znalazła szerokie zastosowanie w projektowaniu i prototypowaniu -  także w naszej pracy. Firma Maszczyk, wykorzystuje druk 3D do tworzenia trójwymiarowych modeli i prototypów, co znacznie przyspiesza proces projektowania i pozwala na łatwe wprowadzanie modyfikacji. Przy użyciu druku 3D można tworzyć modele koncepcyjne, funkcjonalne prototypy, elementy mechaniczne, narzędzia i wiele innych.

Zastosowanie druku 3D w projektowaniu i prototypowaniu otwiera nowe możliwości dla wielu branż. Daje projektantom i inżynierom większą swobodę tworzenia, skraca czas prototypowania, obniża koszty i pozwala na dostosowanie produktów do indywidualnych potrzeb użytkowników. Dzięki drukowi 3D możliwe jest szybsze wprowadzanie innowacji na rynek i tworzenie bardziej innowacyjnych i spersonalizowanych produktów.

Oto kilka głównych obszarów, w których druk 3D znajduje szerokie zastosowanie:

• Prototypowanie. Druk 3D umożliwia szybkie i efektywne tworzenie prototypów produktów. Zamiast kosztownych i czasochłonnych tradycyjnych procesów, takich jak np. formowanie wtryskowe, drukarka 3D pozwala na bezpośrednie wykonanie prototypów. Dzięki temu projektanci i inżynierowie mogą przetestować swoje pomysły, ocenić funkcjonalność produktu, wprowadzać poprawki i szybko dostosować projekt do potrzeb — dużo szybciej i taniej. 
• Indywidualne modele i produkty. Druk 3D umożliwia tworzenie unikalnych i spersonalizowanych modeli. Może to obejmować biżuterię, obuwie, a nawet protezy i implanty medyczne. Dzięki drukowi 3D, można dostosować projekt do indywidualnych potrzeb i preferencji użytkowników.
• Edukacja i badania naukowe. Druk 3D znalazł szerokie zastosowanie w dziedzinie edukacji i badań naukowych. Studenci mogą korzystać z druku 3D, aby tworzyć modele anatomiczne do nauki medycyny, czy też tworzyć modele geograficzne i astronomiczne. Ponadto, naukowcy wykorzystują druk 3D do tworzenia prototypów i modeli eksperymentalnych w dziedzinach, takich jak biologia, chemia, fizyka czy inżynieria.
• Architektura i design. Druk 3D umożliwia architektom i projektantom tworzenie modeli budynków i projektów przestrzennych. Pozwala to na wizualizację i prezentację projektów, a także na wykonywanie detali i elementów dekoracyjnych. Dzięki drukowi 3D, można również eksperymentować z różnymi kształtami i strukturami, które są trudne do zrealizowania tradycyjnymi metodami.
• Produkcja elementów niestandardowych. Druk 3D umożliwia tworzenie niestandardowych części i komponentów, które mogą być trudne do zdobycia tradycyjnymi metodami produkcyjnymi. Przykłady to elementy zamienne dla starych maszyn, elementy prototypowe do nowych produktów, a także unikalne elementy dekoracyjne i wykończeniowe.
• Medycyna i opieka zdrowotna.  Druk 3D ma ogromne znaczenie w medycynie i opiece zdrowotnej. Pozwala na tworzenie modeli anatomicznych do operacji i szkoleń medycznych, produkcję indywidualnych protez, implantów i aparatów słuchowych, a także tworzenie narzędzi chirurgicznych i  aparatów ortopedycznych.