Podsumowanie podstawowych technologii druku 3D

Świat druku 3D jest bardziej zróżnicowany niż mogłoby się wydawać. Znalazł on swoje znaczące zastosowanie w branżach takich jak budownictwo i motoryzacja. Ale można go również znaleźć w opiece zdrowotnej, paleontologii czy przemyśle spożywczym. Można na przykład skosztować czekolady wyprodukowanej za pomocą drukarki 3D. Ale nie ma czegoś takiego jak druk 3D. Prawdopodobnie najbardziej znaną metodą, o której większość ludzi myśli, gdy mówią o drukowaniu 3D, jest drukowanie przy użyciu filamentu, który rozgrzewa się, przepływa przez dyszę i tworzy pożądany kształt na podłożu drukarskim poprzez nakładanie warstw.</p

Ale szkoda byłoby trzymać się tylko tej metody. Pod pojęciem druku 3D kryje się bowiem wiele metod, które znacznie się od siebie różnią, a także wykorzystują różne maszyny i materiały do produkcji.

Materiał Extruze (wytłaczanie materiału)

Polimeryzacja (polimeryzacja w kadzi)

Powder bed fusion

Material jetting

Binder jetting

Bezpośrednie osadzanie energii

Laminowanie arkuszy

Jest to jedna z najbardziej znanych i powszechnie stosowanych metod. Jak sama nazwa wskazuje, drukowanie odbywa się poprzez wytłaczanie lub przepychanie materiału-filament (można również spotkać się z terminem sznurek drukarski lub filament) przez rozgrzaną dyszę. Filament (popularne materiały to ABS lub PLA) jest topiony do pożądanej temperatury podczas procesu drukowania i nakładany warstwami na podłoże drukowe przez podgrzewaną dyszę. Proces ten jest wskazywany przez oprogramowanie. Po ostygnięciu filamentu można cieszyć się właśnie wykonanym wydrukiem.

Proces ten brzmi dość prosto i być może dlatego metoda ta zyskała szerokie grono fanów. Drugim powodem jest to, że do produkcji filamentu można użyć szerokiej gamy materiałów. Typowe z nich to tworzywa termoplastyczne (najpopularniejsze z nich to ABS - akrylonitryl-butadien-styren i PLA - kwas polimlekowy), ale oprócz podstawowych typów stosuje się również różne dodatki (na przykład drewno lub metal).

• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Projektowe drukowanie 3D
• Mikrodrukowanie 3D
• Bio druk 3D

Dokładność wymiarowa:

prototypy i modele, druki projektowe i dekoracyjne, etui i opakowania, domy itp.

• możliwość korzystania z różnych materiałów
• przystępna cena (jedna z najtańszych w porównaniu do innych metod)

• nie jest najdokładniejsza w porównaniu do innych metod
• właściwości materiału są czasami mniej trwałe (twardość, wytrzymałość)

Konstrukcyjne drukowanie 3D ponownie należy do metody, w której materiał jest wytłaczany przez dyszę. Proces jest również stosunkowo taki sam jak w przypadku konwencjonalnej technologii FDM, ale istnieje różnica w zastosowanym materiale i konstrukcji drukarki. Wykorzystywanym materiałem jest specjalnie obrobiony beton (lub zaprawa), który jest wytłaczany przez dyszę. Drukarka 3D w tym przypadku ma ogromne rozmiary (mówimy o kilkudziesięciu metrach wysokości) i jest zwykle montowana z kilku ramion robotycznych lub głowica drukująca może jeździć po szynach. W chwili obecnej ten rodzaj druku 3D jest w powijakach i trwają nad nim badania. Pewne jest jednak, że jeśli uda się wykorzystać jego potencjał, może on znacznie obniżyć koszty budowy domów, ponieważ nie będzie wymagał tak dużego nakładu pracy. Co ciekawe, wciąż prowadzone są badania nad możliwością drukowania budynków na Marsie przy użyciu uzyskanej tam gleby, która byłaby wykorzystywana w przyszłych ekspedycjach wysyłanych w celu poszukiwania i odkrywania czerwonej planety Mars.

Polimeryzacja lub druk 3D z żywicy to druga główna grupa metod druku 3D. Podczas procesu drukowania wykorzystuje źródło światła do selektywnego utwardzania żywicy fotopolimerowej w specjalnej tacy do drukowania, gdzie światło jest precyzyjnie kierowane do określonego punktu na żywicy, aby umożliwić jej utwardzenie. Po utwardzeniu pierwszej warstwy, drukarka przesuwa się w górę lub w dół (w zależności od typu drukarki) - zwykle od 0,01 do 0,05 mm - aby umożliwić utwardzenie kolejnej warstwy. Proces ten jest powtarzany aż do ukończenia końcowego wydruku.

Materiał używany w tej metodzie nazywany jest żywicą lub żywicą. Można je podzielić na różne kategorie - na przykład: odlewnicze, standardowe, wytrzymałościowe, dentystyczne, przemysłowe, biokompatybilne lub elastyczne. Żywice te różnią się właściwościami w zależności od ich zastosowania. Po wydrukowaniu, wydruk jest czyszczony z nadmiaru żywicy i pozostawiony do utwardzenia (w tym celu można użyć specjalnej komory UV).

• Stereolitografia (SLA)
• Cyfrowy projektor światła (DLP)
• Wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD) lub maskowana stereolitografia (MSLA)

• wysoka dokładność
• możliwość uzyskania wysokiej rozdzielczości szczegółów
• bardzo gładka powierzchnia
• prawie niewidoczne poszczególne warstwy na wydruku

• mniejszy obszar zadruku
• toksyczność płynnych żywic

Różnice w typach metod polimeryzacji:

SLA - laser UV świeci w tacę z żywicą i obrysowuje obiekt, który ma zostać uformowany na jej powierzchni

DLP - projektor cyfrowy rzuca światło na tacę z żywicą, która następnie zastyga

LCD / MSLA - projektor rzuca światło na wyświetlacz LCD, który jest umieszczony nad tacą i przepuszcza światło tylko tam, gdzie polimer ma się utwardzić

Technologia ta wykorzystuje laser półprzewodnikowy do drukowania, który jest skupiany przez specjalne lustro do tacy z żywicą, gdzie następuje selektywne utwardzanie. Wiązka przesuwa się w górę niemal niezauważalnie, tworząc warstwę po warstwie. Proces ten zapewnia, że poszczególne warstwy wydruku są tak cienkie, że prawie niewidoczne. Skutkuje to wyjątkowo gładkim wydrukiem. Kolejną zaletą jest to, że modele mają doskonałe szczegóły. Z kolei do wad można zaliczyć czas, ponieważ w porównaniu do metody DLP, gdzie model jest utwardzany równomiernie, metoda ta jest nieco bardziej czasochłonna.

Podczas drukowania należy również uważać na obchodzenie się z żywicą, ponieważ jest to materiał toksyczny. Należy więc zapobiegać jej kontaktowi ze skórą i wdychaniu oparów. Dla niektórych użytkowników obszar drukowania może być ograniczeniem, ponieważ nie jest zbyt duży. Po wydrukowaniu model należy umyć alkoholem izopropylowym i pozostawić żywicę do utwardzenia (ponieważ powierzchnia jest tłusta w dotyku). Można to zrobić na słońcu, ale szybciej jest użyć lampy UV.

MikroSlitografia (µSLA), która skupia się na drukowaniu miniaturowych modeli w rozdzielczości od 2 mikronów (µm) do 50 mikronów. Podobnie jak w przypadku innych rodzajów druku 3D należących do grupy SLA, wykorzystuje ona laser do utwardzania. Jednak do tworzenia wydruków w tak małych rozmiarach wykorzystuje specjalistyczną żywicę, wysoce wyrafinowany laser i soczewki do generowania maleńkich punktów światła.

Metoda TPP wykorzystuje laser femtosekundowy do drukowania i może drukować modele, które mogą być nawet nieco mniejsze niż metoda µSLA. Laser ten jest również wykorzystywany do utwardzania pojedynczych pikseli 3D, zwanych również wokselami, które mają wielkość od nano- do mikrometrów. Wynikowy wydruk ma zatem rozmiar zaledwie kilku milimetrów. Ale nawet przy tak niewielkich rozmiarach może zachować rozdzielczość szczegółów rzędu nanometrów. Jeśli zastanawiasz się, gdzie te małe wydruki znajdą zastosowanie, to w zastosowaniach medycznych lub być może w czujnikach optycznych i mikroelektrodach.

Światło może być wyświetlane przez ekrany emitujące światło LED (o wielkości mikrometra) lub przez światło UV, które jest kierowane przez cyfrowe urządzenie mikrolusterkowe (DMD). Urządzenie to umożliwia wyświetlanie różnych punktów światła w różnych miejscach na jednej warstwie. Na rynku dostępny jest wybór różnych drukarek DLP, które mogą różnić się zastosowanymi komponentami i jakością źródła światła. Szerszy zakres cenowy wynika właśnie z tego.

Technologia ta jest technologią wytwarzania addytywnego, w której energia cieplna selektywnie spieka cienkie warstwy proszku, tworząc stały obiekt warstwa po warstwie.</p

Drukarka nakłada cienką warstwę materiału proszkowego na podłoże do drukowania, a następnie wykorzystuje energię świetlną (zwykle z lasera) do łączenia określonych punktów na warstwie proszku, po czym nakładana jest kolejna warstwa proszku i łączona z poprzednią. Odbywa się to do momentu wydrukowania całego modelu.

Proces może się różnić w zależności od użytego materiału (czy jest to metal czy plastik). Uzyskane wydruki mają wysokie właściwości mechaniczne, mogą być funkcjonalne i nie ma problemu z drukowaniem bardziej złożonych kształtów geometrycznych.

• Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
• Laser Powder Bed Fusion (LPBF)
• Topienie wiązką elektronów (EBM)
.

• wysoka wytrzymałość i trwałość
• rozszerzone zastosowanie w aplikacjach przemysłowych

Metoda SLS wykorzystuje plastikowy proszek jako materiał, który jest spiekany za pomocą lasera. Procedura jest następująca - pojemnik z proszkiem polimerowym jest podgrzewany do temperatury nieco poniżej temperatury topnienia polimeru, a następnie bardzo cienka warstwa proszku (zwykle o grubości 0,1 mm) jest nakładana na podłoże do drukowania. Następnie laser rozpoczyna skanowanie powierzchni zgodnie ze wzorem ustalonym w modelu cyfrowym i spieka proszek, co powoduje utwardzenie wydruku. Po zeskanowaniu całego przekroju, platforma robocza przesuwa się o jedną grubość warstwy, nakłada kolejną warstwę proszku i ponownie spieka.

Proces ten jest powtarzany aż do ukończenia całego obiektu. Niewypalony proszek pozostaje w drukarce, co zapewnia stabilność obiektu, co może zmniejszyć lub całkowicie uniknąć konieczności stosowania podpór. Po zakończeniu drukowania i czyszczenia nie jest wymagana dalsza obróbka końcowa, ale w razie potrzeby wydruki można wypolerować lub pokolorować.

Metoda EBM, czasami nazywana syntezą proszków wiązką elektronów (EB PBF), ma na celu drukowanie metali podobne do LPBF, ale wykorzystuje wiązkę elektronów zamiast lasera. Technologia ta jest wykorzystywana do produkcji takich części jak tytanowe implanty ortopedyczne, łopatki turbin do silników odrzutowych i miedziane cewki.

EBM wykorzystuje wiązkę elektronów zamiast lasera z kilku powodów. Jednym z nich jest to, że wiązka elektronów generuje więcej energii i ciepła, co jest wymagane w przypadku niektórych metali i zastosowań. Innym powodem jest to, że nie wykorzystuje się komory gazowej, ale drukowanie metodą EBM odbywa się w komorze próżniowej, aby uniknąć rozproszenia wiązki. Temperatura w komorze może osiągnąć nawet 1 000 °C (w niektórych przypadkach nawet więcej). Wiązka elektromagnetyczna porusza się z większą prędkością niż laser i może być nawet podzielona na kilka obszarów jednocześnie. Jedną z zalet EBM w porównaniu z LPBF jest możliwość obróbki materiałów przewodzących i metali odblaskowych, takich jak miedź.

Kolejną cechą EBM jest możliwość układania oddzielnych części jedna na drugiej w komorze, dzięki czemu nie są one koniecznie przymocowane do płytki, co znacznie zwiększa możliwości objętościowe. Wiązki elektronów generalnie wytwarzają większe grubości warstw i mniej szczegółów powierzchni niż lasery.

• Śrutowanie materiałów (MJ)

• Nanoparticle Jetting (NPJ)

żywica fotopolimerowa (standardowa, utwardzalna, przezroczysta, wysokotemperaturowa), wosk

Dokładność wymiarowa:

wielokolorowe prototypy produktów, prototypy podobne do form wtryskowych, formy wtryskowe o małej objętości, modele medyczne, przemysł modowy

• Teksturowane wykończenie

• możliwość łączenia wielu kolorów i materiałów

Wady:

• Nie nadaje się do ciężkich części mechanicznych
• wyższy koszt niż w przypadku innych technologii wykorzystujących żywicę

Napylanie materiału to metoda, w której warstwa światłoczułej żywicy jest selektywnie osadzana na podłożu drukarskim i utwardzana światłem ultrafioletowym (UV). Po nałożeniu i utwardzeniu jednej warstwy, platforma robocza jest zmniejszana o jedną grubość warstwy, a proces jest powtarzany w celu utworzenia obiektu 3D.

Metoda M-Jet może tworzyć wyjątkowe detale szybciej niż druk 3D z filamentu (FDM). Jest często używana do prototypów w różnych kolorach i teksturach. Sposób obróbki strumieniowo-ściernej materiałów nie zawsze jest taki sam w zależności od producenta, dlatego nazwy tej metody również się różnią. Można spotkać PolyJet od Stratasys lub MultiJet Printing (MJP) od 3D Systems. W tej metodzie drukarka drukuje z głowic drukujących w liniach, umożliwiając drukowanie wielu obiektów w jednej linii bez wpływu na prędkość. Jeśli przestrzeń na podkładce drukującej jest odpowiednio dopasowana w każdej linii produkcyjnej, drukarka z metodą M-Jet może produkować części wielokrotnie szybciej niż inne drukarki 3D, które wykorzystują żywicę do drukowania.

Jest to jedna z niewielu technologii, która wymyka się łatwej klasyfikacji. Metoda rozpylania nanocząstek, opracowana przez XJet, wykorzystuje serię głowic drukujących z tysiącami dysz atramentowych, które jednocześnie rozpylają miliony ultracienkich kropelek materiału w ultracienkich warstwach.</p

Cząsteczki metaliczne lub ceramiczne są ściskane w cieczy. Proces odbywa się pod wpływem wysokiej temperatury, która odparowuje ciecz podczas piaskowania, pozostawiając w większości tylko metal lub materiał ceramiczny.

Wynikowa część 3D ma tylko niewielką ilość pozostałego spoiwa, które jest usuwane w kolejnym procesie spiekania.

Niezależnie od tego, czy jest to metal, plastik, piasek czy inny sproszkowany materiał, proces piaskowania spoiwa jest taki sam. Najpierw cienka warstwa proszku jest nakładana na platformę budowlaną. Następnie głowica drukująca z dyszami atramentowymi przechodzi nad podkładką drukującą i selektywnie nakłada kropelki spoiwa, aby połączyć ze sobą cząsteczki proszku. Gdy warstwa jest gotowa, platforma robocza jest przesuwana w dół, a proces jest powtarzany aż do ukończenia całej części.

Spoiwo działa jak klej utrzymujący proszek polimerowy razem. Po wydrukowaniu części są pokrywane niewykorzystanym proszkiem i pozostawiane do utwardzenia. Części są następnie usuwane ze zbiornika proszku, nadmiar proszku jest zbierany i może być ponownie użyty.

Następnie, w zależności od materiału, czasami wymagana jest dodatkowa obróbka (zwykle niezwiązana z piaskiem). Powierzchnia może być polerowana, malowana i szlifowana.

• Śrutowanie spoiwami metalowymi
• .

  formowanie wtryskowe spoiw polimerowych

• formowanie wtryskowe spoiwa piaskowego

piasek, polimery, metale, ceramika itp.

Dokładność wymiarowa:

funkcjonalne części metalowe, modele wielokolorowe, odlewy piaskowe i formy

• niska cena
• możliwość drukowania dużych odbitek
• drukowanie funkcjonalnych części metalowych
• doskonałe odwzorowanie kolorów
• wysoka prędkość druku
• elastyczność projektowania bez wsparcia

Wady:

• jest to wieloetapowy proces dla metali

• części polimerowe nie są odporne

Ogólnie rzecz biorąc, właściwości materiałowe części wytwarzanych tą metodą są takie same jak w przypadku części metalowych wytwarzanych metodą formowania wtryskowego metalu (która jest jedną z najczęściej stosowanych metod produkcji do masowej produkcji części metalowych). Ponadto, części łączone strumieniowo wykazują bardziej gładką powierzchnię. Części metalowe tworzone metodą wtrysku spoiwa wymagają dodatkowych procesów po wydrukowaniu, aby uzyskać dobre właściwości mechaniczne. Części drukowane bezpośrednio składają się zasadniczo z cząstek metalu połączonych ze sobą za pomocą kleju polimerowego. Te tak zwane "zielone części" są kruche i nie mogą być używane w obecnej postaci.

Po wydrukowaniu i usunięciu z łoża metalowego proszku (proces zwany depowderingiem), części te są poddawane obróbce cieplnej w piecu (proces zwany spiekaniem). Zarówno parametry drukowania, jak i spiekania są dostosowywane do potrzeb konkretnych wydruków, materiałów i wymaganej gęstości.

Obróbka strumieniowo-ścierna spoiwem z tworzyw sztucznych jest procesem bardzo podobnym do obróbki strumieniowo-ściernej spoiwem metalowym, ponieważ obejmuje proszek i ciekłe spoiwo, ale zastosowania, w których jest używana, są bardzo różne. Po wydrukowaniu, plastikowe części są usuwane ze złoża proszku, czyszczone i często mogą być używane bez dalszej obróbki, ale częściom tym brakuje wytrzymałości i trwałości, którą posiadają części drukowane w 3D (takie jak SLS, gdzie proszek polimerowy jest zasadniczo stopiony).

Części tworzone za pomocą wtryskiwania spoiwa z tworzywa sztucznego mogą być wypełnione innym materiałem w celu zwiększenia wytrzymałości. Metoda ta jest cenna przy produkcji wielokolorowych części, które będą funkcjonować jako prototypy lub które są używane w środowiskach medycznych.

Niski koszt i szybkość procesu sprawiają, że metoda ta jest doskonałym rozwiązaniem dla odlewni. Skomplikowane wzory, które byłyby bardzo trudne lub niemożliwe do wyprodukowania przy użyciu tradycyjnych technik, można wydrukować w ciągu kilku godzin.

Przyszłość rozwoju przemysłowego nadal stawia wysokie wymagania odlewniom i dostawcom. Piaskowanie oferuje ogromny potencjał. Po wydrukowaniu, wydruki są usuwane i czyszczone w celu usunięcia luźnego piasku. Formy są zazwyczaj natychmiast gotowe do odlewania. Po odlaniu forma jest rozbijana, a końcowa metalowa część jest usuwana.

W procesie Multi Jet Fusion drukarka nakłada warstwę materiału proszkowego (zwykle nylonu) na podłoże drukowania. Następnie głowica z atramentem przesuwa się nad proszkiem i nakłada środek utrwalający i środek detalizujący. Następnie nad wydrukiem przesuwa się jednostka grzewcza na podczerwień. Tam, gdzie dodano środek utrwalający, dolna warstwa topi się razem, podczas gdy obszary ze środkiem detalizującym pozostają w postaci proszku. Sproszkowane części odpadają, tworząc pożądany kształt. Zmniejsza to również zapotrzebowanie na podpory do modelowania, ponieważ dolne warstwy wspierają te wydrukowane nad nimi.

Aby zakończyć proces drukowania, całe łoże z proszkiem - i wydrukowane w nim części - jest przenoszone do oddzielnej sekcji. Tutaj większość nieroztopionego proszku jest odkurzana, co pozwala na jego ponowne wykorzystanie zamiast wytwarzania nadmiaru odpadów. Multi Jet Fusion to wszechstronna technologia, która znalazła zastosowanie w wielu branżach, od motoryzacji, przez opiekę zdrowotną, po produkty konsumenckie.

Technologia ta jest wykorzystywana do tworzenia wydruku warstwa po warstwie, ale często jest używana do naprawy lub modyfikacji metalowych obiektów poprzez nakładanie materiału bezpośrednio na istniejący metalowy element. Po zakończeniu drukowania zwykle następuje obróbka CNC w celu uzyskania większej trwałości.

Połączenie typów produkcji DED i CNC jest tak powszechne, że istnieje podtyp druku 3D zwany hybrydowym drukiem 3D, który wykorzystuje hybrydowe drukarki 3D składające się z DED i maszyny CNC. Technologia ta jest ceniona jako szybszy i tańszy zamiennik odlewania i kucia części metalowych w mniejszych ilościach oraz do napraw w zastosowaniach w przemyśle naftowym i gazowym na morzu lub być może w przemyśle lotniczym i energetycznym.

• osadzanie energii lasera proszkowego
• .

  wire additive manufacturing (WAAM)

• .

  osadzanie wiązką elektronów

• rozpylanie na zimno

szeroka gama różnych metali, które mogą być w postaci drutu i proszku

Dokładność wymiarowa:

Naprawa wysokiej klasy komponentów samochodowych / lotniczych, funkcjonalnych prototypów i części końcowych

• Wysoka prędkość produkcji
• możliwość zastosowania do istniejących części

Wady:

• Nie można tworzyć złożonych kształtów ze względu na brak możliwości tworzenia konstrukcji wspierających
• generalnie słabe wykończenie powierzchni i niższa dokładność

Metoda ta jest również czasami nazywana laserowym osadzaniem metalu (LMD) lub laserowym kształtowaniem siatki (LENS). Jest to technologia druku 3D wykorzystująca metalowy proszek lub drut podawany przez jedną lub więcej dysz i stapiany przez potężny laser na platformie budowlanej lub bezpośrednio na metalowym elemencie. Obiekt, który jest umieszczony na wieloosiowym stole obrotowym, jest tworzony warstwa po warstwie. Proces produkcyjny jest szybszy niż stapianie w łożu proszkowym, ale skutkuje niższą jakością powierzchni i znacznie niższą dokładnością, często wymagając obszernej obróbki końcowej.

Drukarki laserowe DED często mają szczelne komory wypełnione argonem, aby zapobiec utlenianiu. Mogą również pracować tylko z miejscowym argonem lub azotem podczas przetwarzania mniej reaktywnych metali. Metale powszechnie stosowane w tym procesie to stal nierdzewna, tytan i stopy niklu. Ta metoda drukowania jest często używana do naprawy wysokiej klasy komponentów lotniczych i motoryzacyjnych, takich jak łopatki silników odrzutowych, ale jest również używana do produkcji całych części.

Cold spray to technologia druku 3D DED, która rozpyla proszek metalowy z prędkością naddźwiękową, aby połączyć je ze sobą bez ich topienia, nie wytwarzając prawie żadnych naprężeń termicznych, które mogłyby powodować pękanie termiczne lub inne typowe problemy, które mogą wpływać na technologie oparte na fuzji.</p

Od początku XXI wieku metoda ta była stosowana do nakładania warstw na części, ale ostatnio kilka firm zaadaptowało natryskiwanie na zimno do produkcji addytywnej, ponieważ może ona nakładać warstwy metalu o precyzyjnych geometriach do kilku centymetrów przy około 50 do 100 razy większych prędkościach niż typowe drukarki 3D do metalu i nie ma potrzeby stosowania gazów obojętnych lub komór próżniowych.

Podobnie jak wszystkie procesy DED, zimny natrysk nie tworzy wydruków o najwyższej jakości powierzchni lub szczegółowości, więc aplikacja będzie idealna tam, gdzie nacisk na wygląd jest mniejszy. Wydruki nie wymagają późniejszej obróbki.