Druk 3D: Warstwa po warstwie - TECHNIKA

Właśnie minęło 40 lat od czasu, gdy w 1981 roku dr Hideo Kodama zaprezentował nową technologię, pozwalającą tworzyć trójwymiarowe elementy poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału.  Nazwano ją po inżyniersku wywarzaniem przyrostowym lub po prostu – drukiem 3D.

Druk 3D Materiały prasowe

Z czasem pojawiły się kolejne koncepcje druku 3D i pierwsze patenty, które od 2005 roku zaczęły tracić ważność. Wówczas rozwój technologii przyspieszył zarówno w zastosowaniach komercyjnych, jak i hobbystycznych.
Wpływowy dziennik „Financial Times” w chwili euforii napisał nawet, że druk 3D jest większym osiągnięciem niż internet. Być może było to stwierdzenie trochę na wyrost, jednak prostą drukarkę 3D można było już wtedy złożyć w domu, a niezbędne oprogramowanie pobrać darmowo z internetu.

REKLAMA

Od świata cyfrowego do rzeczywistego

Druk 3D to układanie kolejnych warstw materiału – tak, jakby kłaść na sobie odpowiednio wycięte kolejne kartki papieru

Realizacja wydruku 3D zaczyna się od stworzenia cyfrowego, trójwymiarowego modelu. Można to zrobić na dwa sposoby – za pomocą programu komputerowego z rodziny CAD lub skanera 3D. Obiektem skanowanym może być np. klamka wewnętrzna drzwi oldtimera. Mając jej cyfrowy model, da się wydrukować nową. Analogicznie można postąpić z każdą częścią, małą czy dużą.
Firmy tuningowe skanują elementy nadwozi, takie jak np. zderzaki, nadkola czy poszycia drzwi, aby po cyfrowej modyfikacji wydrukować ich zmienione, stuningowane wersje.
W drugim kroku model cyfrowy jest za pomocą specjalnego programu „cięty” na bardzo cienkie warstwy i zapisywany w pliku, który dla drukarki 3D jest źródłem całej wiedzy o kształcie tych warstw oraz ich liczbie.
Wybór materiału i metody druku zależą od wielu czynników, takich jak wielkość elementu, jego złożoność geometryczna, gładkość powierzchni, odporność chemiczna i temperaturowa czy cechy wytrzymałościowe.
Do druku wykorzystuje się materiały, które można zmiękczyć, stopić lub połączyć lepiszczem (środkiem wiążącym). Są to tworzywa sztuczne, materiały kompozytowe, stal nierdzewna, stopy aluminium, tytan, materiały ceramiczne, a nawet... cukier i czekolada. Mogą być one dostarczane w postaci żyłki (tzw. filamentu), jako żywica, granulki, proszek lub nanocząstki w formie zawiesiny.
I wreszcie, trzeba uwzględnić również to, że wydruk (czyli gotowy element), stygnąc, będzie zmieniał wymiary. Należy zadecydować, czy drukujemy część „na gotowo”, czy konieczna będzie jeszcze obróbka mająca na celu zwiększenie dokładności lub uzyskanie odpowiednio gładkich powierzchni.

Jak obraz na stole

Druk 3D metodą FDM/FFF
Ta metoda wydruku jest stosowana zarówno w drukarkach domowych, jak i przemysłowych. Głowica w sposób ciągły doprowadza filament – żyłkę z tworzywa termoplastycznego – oraz podgrzewa go do temperatury topnienia wynoszącej od 190 do 280° C. Z kolei dysza układa kolejne warstwy półpłynnego filamentu. Kształt każdej warstwy jest uzyskiwany przez przemieszczanie głowicy w osiach X oraz Y (tak jakby „rysowała” na stole obrazek), a grubość zależy od średnicy filamentu oraz prędkości jego wysuwania. W domowych drukarkach grubość warstwy wynosi od 0,2 do 0,25 mm. Aby przejść do układania następnej, głowica jest unoszona albo platforma wydruku zostaje obniżona.

Druk 3Dauto motor i sport
Proste drukarki pracują z filamentem tylko jednego koloru lub rodzaju. Są też takie, które wykorzystują dwa filamenty – z jednego powstają podpory (usuwane po zakończeniu druku), z drugiego zaś element docelowy
Druk 3DFot. Shutterstock.com
Gorący filament po nałożeniu stygnie i twardnieje. Nakładane są kolejne warstwy, a drukowany obiekt rośnie

REKLAMA

REKLAMA

Topienie, układanie, wyżarzanie i obróbka

Dzisiaj do wyboru jest kilkadziesiąt technologii druku 3D. Różnią się od siebie prędkością druku, dokładnością i gęstością wykorzystywanego materiału, a także tym, jakie wymiary może mieć gotowy element.
Materiał jest topiony lub zmiękczany przez ogrzewanie bezpośrednie strumieniem lasera lub wiązką elektronów. O tym, jak skomplikowany może być to proces, najlepiej świadczy fakt, że istnieje drukarka 3D, w której budulec jest topiony jednocześnie przez 12 strumieni laserowych, oddzielnie sterowanych, na dodatek o zmiennej średnicy wiązki: 80 mikrometrów, gdy są drukowane szczegóły i 160 mikrometrów, gdy drukuje się wypełnienia.
Sam proces nanoszenia kolejnych warstw może odbywać się w powietrzu otoczenia, w atmosferze obojętnej, próżni, a nawet w warunkach braku grawitacji (NASA opracowała swego rodzaju „kosmiczną” drukarkę 3D!). W niektórych metodach druku 3D, gdy element ma wyjątkowo skomplikowane kształty, konieczne jest zastosowanie podczas druku podpór, na które są nakładane kolejne warstwy i które zabezpieczają miękki jeszcze element przed deformacją.
Z kolei po wydrukowaniu materiał może wiązać samoistnie lub pod wpływem promieni UV. Może być również natryskiwany lepiszczem, jednak w tym wypadku w oddzielnym procesie trzeba spowodować, by wniknęło ono w głąb materiału.
Obiekty drukowane z metalu są zazwyczaj poddawane wyżarzaniu w celu eliminacji naprężeń i poprawy właściwości mechanicznych. Wydrukowana część może być obrabiana mechanicznie z zastosowaniem większości tradycyjnych metod.

Ciasto zatopione w mące

Druk 3D metodą SLS
Budulcem jest sproszkowany materiał, którego drobiny można łączyć przez spiekanie lub stapianie. Tzw. układ aplikacji nanosi warstwę budulca na całą platformę wydruku. Strumień lasera nadtapia lub topi proszek jednak tylko w tych miejscach, które utworzą warstwę końcowego elementu. To tak, jakby rozprowadzić cienką warstwę mąki po całym stole, ale wodą polać ją lub pokropić tylko w niektórych miejscach. Stopiony proszek z kolejnych warstw (drukowanej w danej chwili i wydrukowanej wcześniej) łączy się ze sobą. Jako ciekawostka – w wypadku tej metody druku 3D pojedyncza warstwa ma grubość między 0,06 a 0,15 mm. Platforma wydruku stopniowo się obniża, a drukowany element aż do zakończenia procesu pozostaje ukryty w środku niewykorzystanego budulca (naszej przykładowej mąki). Ów niewykorzystany proszek będzie przydatny przy innych wydrukach.

Druk 3Dauto motor i sport

Druk 3DMateriały prasowe
Fragmenty drukowanego elementu, które powstają w trakcie druku, ale jeszcze nie są ze sobą połączone, są wspierane przez niewykorzystany budulec. Nie trzeba tworzyć podpór drukowanego elementu

Kiedy warto wybrać druk 3D

Cyfrowy model można stworzyć w programie CAD lub za pomocą skanera 3D

Przede wszystkim wtedy, gdy pozwala na bardzo szybkie wykonanie elementu lub zestawu elementów, szczególnie takich o skomplikowanych kształtach. Na przykład zanim uruchomimy seryjną produkcję wszystkich części składających się na deskę rozdzielczą oraz całą kabinę samochodu, warto zobaczyć, jak ta kabina wygląda na żywo, jaka jest jej ergonomia, jak zostały rozmieszczone elementy obsługi, czy jak rozchodzi się po niej światło. Wydruk 3D z tworzywa sztucznego będzie w tym wypadku jak znalazł.
Tak samo można wydrukować głowicę silnika oraz kolektory dolotowy i wylotowy, aby przeprowadzić badania przepływowe i porównać ich wyniki z symulacjami komputerowymi.
Druk 3D będzie również pomocny przy produkcji jednostkowej lub małoseryjnej. Można np. wydrukować formę, która zostanie później zalana płynnym metalem, z pominięciem kosztownego etapu wykonania pierwszego modelu (w tradycyjnym procesie służącego do zrobienia formy). Pozwala to skrócić czas i obniżyć koszty.
Dobre zastosowanie druk 3D znalazł w małoseryjnej produkcji supersamochodów i części w sporcie samochodowym. Pozwala wytwarzać pojedyncze elementy z materiałów o szczególnych właściwościach, np. z odpornych na wysoką temperaturę (superstopy niklu – do 1200° C) lub z lekkich i wytrzymałych (tytan). Jako przykład może posłużyć widoczny na głównej ilustracji tego artykułu zacisk hamulcowy Bugatti Chirona, wydrukowany z tytanu w technologii 3D.

Druk 3DYOUTUBE CAD CAM TUTORIAL.
Program z rodziny CAD umożliwia projektowanie lub modyfikację obiektu i pozwala zobaczyć go w rzeczywistości w trzech wymiarach

REKLAMA

Czy druk 3D zawsze jest opłacalny?

Po początkowym zachwycie okazało się, że nie. Niektóre metody wymagają użycia drogich materiałów, w innych niezadowalająca okazuje się jakość powierzchni końcowego elementu.
Wadą jest też stosunkowo niska prędkość druku 3D, która sprawia, że nie nadaje się on do produkcji wielkoseryjnej czy masowej. Automat tokarski znacznie szybciej wykona wałek, niż wydrukuje go drukarka 3D. Z kolei głowicę silnika korzystniej będzie odlać w tradycyjnej formie, a następnie obrobić na obrabiarkach sterowanych numerycznie.
Technologia druku 3D może za to w znakomity sposób wspomóc produkcję seryjną, np. przy wytwarzaniu niezbędnych narzędzi. Świetnym przykładem jest tu fabryka samochodów jednego z koncernów, w której druk 3D jest wykorzystywany do produkcji narzędzi potrzebnych na liniach montażowych. Czas projektowania i produkcji nowego narzędzia skrócił się z tygodnia do jednego dnia, a koszty zostały obniżone o 95%.

Druk 3DFot. Shutterstock.com
Skanowanie 3D, np. stożkowego koła zębatego, służy do stworzenia jego modelu cyfrowego. Ten model będzie potrzebny później w procesie wydruku 3D

Samochód z drukarki 3D dla każdego?

Teoretycznie byłoby możliwe zamówienie w salonie samochodu z poszyciami nadwozia według własnego projektu. W wypadku większości aut, jakimi jeździmy na co dzień, byłoby to jednak rozwiązanie niepraktyczne i po prostu kosztowne –pomijając kwestie techniczne, jak właściwości aerodynamiczne czy hałas.
Dlatego samochód z salonu będzie nadal budowany tradycyjnie. Chociaż w wielu momentach podczas jego konstruowania i produkcji niemal na pewno wykorzystywano technologię druku 3D.

REKLAMA

REKLAMA