Marzysz, by zacząć przygodę z drukiem 3D? Domowa drukarka daje Ci ogrom możliwości w realizacji własnych projektów. Dzięki naszemu artykułowi dowiesz się, jak wybrać odpowiednie urządzenie, jak przygotować się do procesu druku, który filament wybrać i jak rozwiązać najczęściej występujące problemy. Poznasz również historię technologii wytwarzania przyrostowego i odkryjesz jego imponujące zastosowania w wielu profesjonalnych branżach.
Początki technologii wytwarzania przyrostowego sięgają połowy lat 80. XX wieku, kiedy opracowana i opatentowana została technologia druku z użyciem płynnej, światłoutwardzalnej żywicy. Ojcem druku 3D stał się wynalazca Chuck Hull. Po pewnych udoskonaleniach jest ona stosowana do dziś, jako SLA, czyli stereolitografia. Natomiast początki wytwarzania przyrostowego z użyciem termoplastycznych filamentów przypadają na koniec lat 80. i są dziełem istniejącej do dziś firmy Stratasys. Wytworzona przez markę technologia FDM została zmodyfikowana i rozwinięta w popularną dziś FFF, która po blisko 30 latach – dosłownie – trafiła pod strzechy, a to za sprawą Adriana Bowyera i jego desktopowego projektu RepRap. Idea Bowyera zakładała, że drukarki będą mogły same wykonywać własne kopie – co zresztą zostało zrealizowane w praktyce przez czeską markę Prusa, która w swojej fabryce „zatrudnia” własne maszyny do wytwarzania kolejnych sztuk drukarek 3D.
Do najpopularniejszych technologii druku 3D należą FDM/FFF (w przypadku których drukarki tworzą modele z filamentów z tworzywa sztucznego) oraz SLA/DLP (w tym przypadku model powstaje z płynnej żywicy utwardzanej światłem). Obie technologie – zarówno te bazujące na filamentach, jak i te wykorzystujące żywicę – dostępne są dla Ciebie nawet w domowych urządzeniach do druku 3D, a jeśli zaopatrzysz się w profesjonalne, precyzyjne urządzenie, sprawdzą się nawet podczas tworzenia modeli użytkowych do zastosowań komercyjnych.
Tworzenie modeli 3D w technologii FDM/FFF polega na nanoszeniu przy pomocy głowicy drukującej kolejnych, bardzo cienkich warstw tworzywa – najpierw na stół roboczy, a następnie na poprzednio utworzone warstwy. W ten sposób, warstewka po warstewce, uzyskuje się coraz wyższy model, a połączenia pomiędzy kolejnymi etapami pracy głowicy mogą być praktycznie niewidoczne. Tworzywo do drukowania modeli ma postać cienkiej żyłki nawiniętej na szpulę – w głowicy drukującej ulega ono podgrzaniu, topi się, a następnie – poprzez dyszę w głowicy – wydostaje się na powierzchnię stołu roboczego i zastyga. Wśród drukarek 3D przeznaczonych dla technologii FFF/FDM znajdziesz nawet bardzo proste modele, z którymi poradzą sobie zupełnie początkujący użytkownicy – dlatego przygodę z wytwarzaniem przyrostowym warto zacząć właśnie od druku z tworzywowych filamentów.
Oba wymienione skróty (FFF i FDM) opisują niemal identyczne technologie. Różnica polega przede wszystkim na tym, jaki element procesu powstawania modelu opisujemy. FDM to skrót od Fused Deposition Modelling, czyli technologii polegającej na formowaniu roztopionego tworzywa, osadzonego na podłożu. Natomiast FFF, czyli skrót od nazwy Fused Filament Fabrication, pokazuje przede wszystkim, że modele produkowane są z topiącego się włókna filamentu. Warto wiedzieć, że nazwa FDM jest starsza i dotyczyła technologii opatentowanej przez Stratasys – producenta urządzeń do wytwarzania przestrzennych modeli. Natomiast FFF stanowiło rozwinięcie i uproszczenie technologii FDM (warto również dodać, że dziś – choć granice między dwiema nazwami zatarły się i najczęściej stosuje się je zamiennie, to technologia FDM jest wykorzystywana podczas produkcji nieco szlachetniejszych, bardziej wymagających modeli – głównie w profesjonalnych projektach).
Do bardzo popularnych technologii druku 3D należą również te, które wykorzystują nie filament, a płynną żywicę. W tym przypadku podczas druku platforma drukarki 3D zanurzona jest w pojemniku wypełnionym płynną żywicą. Pod wpływem promieni emitowanych przez diody UV lub laser, żywica utwardza się, tworząc warstwę przyczepioną do podłoża. Następnie platforma nieco się unosi i naświetlana jest kolejna warstwa żywicy, która łączy się z tą już utwardzoną. Wiele kolejnych warstw tworzy przestrzenny model, który ze względu na metodę druku z reguły nie może mieć dużych wymiarów, za to charakteryzuje się bardzo dużą szczegółowością. Produkcja modeli z żywicy UV jest trudniejsza, niż modelowanie z użyciem filamentów, a dodatkowo – również ze względu na wydzielające się opary – wymaga użycia drukarki z zamkniętą, dobrze wentylowaną komorą. Dlatego eksperymenty z tą technologią warto odłożyć na później – gdy nabierzemy już wprawy w tworzeniu modeli.
Skrót SLA (oraz spotykany nieraz STL) oznacza stereolitografię, czyli technologię, w której do utwardzania płynnej żywicy służy promień lasera (a więc mocno skoncentrowana wiązka światła), a dokładniej – wchodzące w zakres jego widma pasmo UV. Natomiast DLP to skrót od Digital Light Processing, czyli cyfrowego przetwarzania światła – jak widać w samej nazwie w ogóle nie pojawia się odwołanie do druku 3D. DLP podkreśla znaczenie projektora cyfrowego, który naświetla drukowany obraz, pozwalając na odwzorowywanie szczegółów nawet o bardzo dużej rozdzielczości.
Przeanalizujmy krótko cały proces przygotowania warsztatu drukarskiego i tworzenia modeli na drukarkach 3D. Ze względu na techniczną łatwość skoncentrujemy się przede wszystkim na technologii FFF/FDM.
Podstawowym wyposażeniem każdego amatorskiego warsztatu do produkcji modeli jest drukarka 3D. Na polskim rynku dostępne są już dziesiątki modeli urządzeń o bardzo zróżnicowanych cenach, możliwościach technicznych i zestawie funkcjonalności. Najprostsze, fabrycznie zmontowane modele można uruchomić od razu po wyjęciu z pudełka – wystarczy wstępnie zorientować się w obsłudze prostego menu, zamontować filament na szpuli i już po kilkunastu-kilkudziesięciu minutach można rozpocząć drukowanie. Wielbiciele majsterkowania mogą z kolei zdecydować się na warianty modułowych drukarek 3D, albo nawet modele przeznaczone do samodzielnego montażu – ze wstępnie złożonych elementów albo z osobnych, pojedynczych części. Ostatnia z wymienionych możliwości pozwala na poznanie budowy drukarki 3D do najmniejszej śrubki, co ma pewne zalety podczas samodzielnego serwisowania urządzenia oraz jego modyfikacji/rozbudowywania.
Przed uruchomieniem drukarki 3D niezbędna jest jej wstępna konfiguracja, tzn. wypoziomowanie stołu roboczego (najczęściej poprzez dokręcenie śrub – w bardzo zaawansowanych modelach dostępne są funkcjonalności samopoziomowania stołu), a także ustawienie parametrów wydruku (o których opowiemy więcej za chwilę – na początku, na etapie nauki warto korzystać zresztą z ustawień fabrycznych).
Urządzenia drukujące w technologii FFF/FDM składają się z kilku zasadniczych podzespołów:
Zanim zlecimy urządzeniu wydrukowanie modelu musimy przygotować go w postaci, którą drukarka 3D będzie w stanie zinterpretować. Potrzebny jest nam projekt przestrzenny (trójwymiarowy, ponieważ urządzenie drukujące również musi go odtworzyć w trzech wymiarach), a jednocześnie możliwy do podzielenia na przekroje, ponieważ druk 3D polega tak naprawdę na drukowaniu kolejnych przekrojów modelu, nałożonych jeden na drugi.
To wszystko sprawia, że optymalnym oprogramowaniem do tworzenia modeli dla drukarek 3D są środowiska typu CAD – dokładnie te same, z których korzystają konstruktorzy mechanicy czy też architekci. Na szczęście niektórzy producenci opracowali także własne, bardzo uproszczone środowiska CAD, na których mogą pracować nawet amatorzy bez doświadczenia w projektowaniu. Dodatkowo w sieci dostępne są gotowe repozytoria modeli 3D, w tym również darmowe, tworzone przez pasjonatów druku 3D. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby na początku pracy z drukarką sięgnąć właśnie po taki gotowy projekt i wydrukować go, ucząc się przy okazji optymalnych ustawień dla danego urządzenia/filamentu i doskonaląc sam proces drukowania. Na samodzielne projektowanie przyjdzie czas później.
Po zakończeniu projektowania model 3D należy „pociąć” w specjalnym oprogramowaniu nazywanym slicer. Efektem pracy slicera jest plik bezpośrednio sterujący pracą drukarki (tzw. g-code), który należy wgrać na kartę microSD lub przesłać do maszyny w inny sposób (w niektórych modelach da się to zrobić za pośrednictwem sieci WiFi).
Jedną z najważniejszych decyzji, jakie musisz podjąć zanim wydrukujesz dany model, jest wybór filamentu. Producenci dostarczają obecnie bardzo szeroką gamę tworzyw w postaci żyłek o standardowej średnicy 1,75 mm – i są one dostępne bez trudu również do zastosowań domowych. Oczywiście na tej samej drukarce możesz tworzyć modele z użyciem wielu różnych filamentów – wystarczy usunąć poprzednio używany materiał, oczyścić dyszę, a następnie założyć nową szpulę filamentu.
Uwaga! Zanim użyjesz danego tworzywa na swojej drukarce upewnij się, że producent na to pozwala. Lista filamentów kompatybilnych z konkretnym modelem urządzenia powinna znaleźć się w dokumentacji. Ważne jest także, czy producent dopuszcza zastosowanie materiałów dowolnej marki, czy też pochodzących od kilku ściśle określonych dostawców (najczęściej są to jednak materiały wytwórcy maszyny).
Do najczęściej wykorzystywanych materiałów eksploatacyjnych w drukarkach 3D należą:
Masz już urządzenie do wytwarzania przyrostowego, wybrany jest również filament. To właściwy moment na ustawienie odpowiednich dla danego materiału parametrów drukarki 3D. Co wpływa na jakość i szybkość wydruku?
Oprócz klasycznego druku jednym kolorem tworzywa, nowoczesne drukarki 3D – również te dostępne dla amatorskich warsztatów – wyposażane są w dodatkowe funkcjonalności. Jedną z nich jest druk dwoma (lub więcej) filamentami. W zależności od parametrów urządzenia, drukarka 3D może korzystać z filamentów na zmianę i drukować obszary o wyraźnie rozgraniczonych barwach, albo też płynnie przechodzić od jednego tworzywa do drugiego, uzyskując gradientowy efekt. Konstrukcja tego typu urządzeń może bazować na pojedynczej bądź podwójnej głowicy drukującej.
Ze względu na specyfikę druku 3D, w niektórych modelach wykorzystuje się elementy podporowe. Ich zadanie polega na stworzeniu rusztowania dla „wiszących” elementów modelu na czas druku – bez podpór wykonanie elementu „w powietrzu” byłoby całkowicie niemożliwe lub jakość uzyskanych efektów pozostawiałaby wiele do życzenia. Najczęściej owo dodatkowe rusztowanie jest później rozpuszczane w solwencie (jak podpory HIPS w modelach ABS). Inna opcja to elementy podporowe o specjalnej konstrukcji, przeznaczone do odrywania/odłamywania od konstrukcji detalu. Oczywiście w obu przypadkach trzeba uwzględnić je już na etapie cięcia modelu w slicerze.
Osobną grupę elementów wspomagających druk stanowią wewnętrzne żebrowania. W tym przypadku chodzi nie tylko o podtrzymanie ścian detalu, ale o zmniejszenie ilości zużytego materiału oraz o zmniejszenie wagi całego modelu. Zamiast elementu pełnego w środku, drukowany jest element o strukturze ażurowej. Projektowanie wewnętrznych ścianek wymaga pewnego doświadczenia i wiedzy z zakresu mechaniki. W bezbłędnym zaprojektowaniu wewnętrznej konstrukcji modelu może pomóc sam program do projektowania – takie funkcjonalności uwzględniają zwłaszcza środowiska dostarczane przez producentów bardziej zaawansowanych drukarek.
Gdy proces druku dobiegnie końca, odczekaj, aż stół roboczy ostygnie i zdejmij gotowy model z powierzchni roboczej. Najczęściej możesz potrzebować do tego celu szpatułki lub szpachelki, którą delikatnie podważysz brzegi detalu. Stół roboczy podczas takich procedur może ulec uszkodzeniu, dlatego lepiej jest zastosować specjalne magnetyczne nakładki, które dodatkowo wykazują się znaczną elastycznością – po lekkim wygięciu płyty model sam „odskoczy” od podłoża. Inną techniką są stosowane zamiast podkładek elastycznych płyty szklane.
W przypadku niektórych filamentów na etapie postprodukcji można stosować technologie, które pozwalają na wygładzenie powierzchni detalu. W przypadku filamentów ABS jest to obróbka w oparach acetylenu, którą trudno jednak zastosować w warunkach domowych ze względu na ich znaczną łatwopalność. Dodajmy, że detale wykonane z żywicy UV (w drukarkach SLA/DLP) poddaje się obróbce w myjkach ultradźwiękowych.
Oddzielanie się pierwszej warstwy od pola roboczego sprawia, że model zostaje nieodwracalnie zniszczony i pracę trzeba zaczynać od nowa. Jeśli problem ten występuje stale, trzeba sprawdzić przyczepność podłoża (można zastosować specjalne nakładki magnetyczne na stół roboczy bądź odpowiedni klej) i dokładnie je odtłuścić z użyciem alkoholu izopropylowego. Możliwe również, że temperatura stołu jest zbyt niska dla danego filamentu albo niepotrzebnie włączone jest chłodzenie wydruku, przez co stygnący filament zbyt szybko się kurczy. Na potrzeby zwiększania przyczepności pierwszej warstwy wydruku warto wykorzystać taśmę kaptonową albo (w przypadku filamentów ABS) tzw. sok ABS.
Jeśli na wydruku pojawiają się nieestetyczne, szare smugi, oznacza to, że w dyszy pozostały resztki poprzednio używanego filamentu. W tej sytuacji wystarczy oczyścić dyszę z użyciem filamentu czyszczącego oraz – ewentualnie – rozgrzać ją i delikatnie oczyścić przy pomocy specjalnej igły, pamiętając o ryzyku oparzenia przy dotknięciu do powierzchni dyszy lub elementu grzejnego.
Masz wrażenie, że Twoja drukarka 3D wykonuje model niestarannie? Spróbuj zmienić ustawienia druku – zmniejsz prędkość i/lub grubość warstwy. Upewnij się też, że stół roboczy jest dobrze wypoziomowany, ponieważ nierówny kąt ułożenia będzie sprawiał, że dysza w różnych punktach pola roboczego będzie pracowała w różnej odległości od podłoża. Jeśli opisane metody nie pomogą w rozwiązaniu problemu upewnij się, że rama drukarki lub paski napędowe nie uległy poluźnieniu, co generowałoby dodatkowe, niepotrzebne drgania.
Na nieestetyczny wygląd powierzchni modelu może wpływać niewłaściwa temperatura dyszy drukarki, niepotrzebne (lub zbyt intensywne) chłodzenie wydruku, a także – wspomniane w poprzednim punkcie – drgania podczas pracy urządzenia. Pamiętaj również, aby testowo zmniejszyć prędkość drukowania oraz grubość warstw. Upewnij się, że kwestie wymiarowe (a więc konfiguracja sprzętowa wydruku) nie mają sprzecznych ustawień. Im większa dokładność drukowania, tym ładniejsza powierzchnia (choć na efekt finalny wpływa też jakość – a co za tym idzie – precyzja samego urządzenia).
Z drukarek 3D bardzo chętnie korzysta branża architektoniczna i projektowa. Dzięki technologii FFF/FDM projektanci mogą z niespotykaną dotychczas łatwością przygotowywać przestrzenne modele budowli. Mają przy tym gwarancję, że wykonana makieta będzie doskonale zwymiarowana i znajdą się w niej wszystkie szczegóły obecne na projekcie. Oprócz modeli, na specjalnych, wielkoformatowych drukarkach 3D powstają już także pierwsze użytkowe meble (np. krzesła, siedziska, stoły), a nawet… prototypowe budynki.
Dla dentystów druk 3D jest wprost doskonałym narzędziem do modelowania protez zębowych. W tym obszarze wykorzystuje się powszechnie druk z wykorzystaniem światłoutwardzalnej żywicy, ze względu na dużą liczbę szczegółów projektowanych w ten sposób detali. Wytwarzanie przyrostowe ma jednak o wiele więcej do zaoferowania także innym dziedzinom medycyny. W najprostszym ujęciu drukować można choćby modele anatomiczne narządów wewnętrznych pacjentów. W tym przypadku najpierw – na zasadzie inżynierii odwrotnej – skanuje się narząd odpowiednimi metodami diagnostyki obrazowej, a następnie na tej podstawie drukowany jest anatomiczny model 3D, na którym chirurdzy mogą przygotować się do skomplikowanych operacji.
Oprócz modelowania, druk 3D już teraz może przysłużyć się pacjentom, oczekującym np. na protezy czy też implanty inne, niż stomatologiczne. Technologia wytwarzania przyrostowego sprawdza się bowiem znakomicie w produkcji elementów o zindywidualizowanych wymiarach – możliwe jest uzyskanie nawet pojedynczych egzemplarzy. Naukowcy intensywnie pracują także nad planami drukowania żywych tkanek i bardziej złożonych struktur anatomicznych, a prawdziwym marzeniem – które znacznie ułatwiłoby leczenie np. w obszarze transplantologii – byłby druk całych narządów, do którego wiedzie jednak jeszcze bardzo daleka droga.
Drukarki 3D bazujące na płynnej żywicy już teraz w znacznym stopniu wspierają branżę jubilerską. Zamiast żmudnego wykonywania modeli na potrzeby odlewów, można bowiem wydrukować odpowiednie detale z ogromną precyzją. Po wytwarzanie przyrostowe sięgają również producenci mody, choć w tym przypadku mówimy raczej o strojach i dodatkach na potrzeby artystycznych pokazów i eksperymentów, niż o takich, które można byłoby podziwiać na ulicach miast. Warto jednak odnotować, że na drukarkach 3D powstają już zarówno suknie, gorsety i okrycia wierzchnie, jak też buty czy torebki.
Nowoczesne muzea świetnie radzą sobie z przechwytywaniem nowoczesnych technologii i wykorzystywaniem ich do swoich potrzeb. Druk 3D stał się – obok projektorów multimedialnych czy ekranów dotykowych – kolejnym rozwiązaniem, które ma szansę na ogromną karierę w muzealnictwie. To wprost idealna metoda wykonywania makiet i modeli na wystawy, a także niezwykle łatwe rozwiązanie wspierające przygotowywanie ekspozycji dla osób niewidomych. Co więcej – zeskanowane eksponaty można w wirtualny sposób „udostępniać” odbiorcom w dowolnym miejscu na świecie, gdzie mogą one zostać odtworzone właśnie poprzez ich wydrukowanie.
Druk 3D wkroczył przebojem już nie tylko do profesjonalnych laboratoriów, ale także na uczelnie wyższe, a nawet do szkół. Studentom może pomóc w nauce mechaniki, projektowania lub posłużyć do małoseryjnej produkcji detali na potrzeby realizowanych projektów naukowych. W szkołach urządzenia FFF/FDM wykorzystywane są w toku nauczania zgodnego z ideą STEAM (ang. Science, Technology, Engineering, Art, Mathematics). Oprócz zdobywania dodatkowych umiejętności, uczniowie mogą również drukować pomoce naukowe na potrzeby zajęć np. z matematyki (geometria przestrzenna) czy chemii.
Z urządzeń do wytwarzania przyrostowego chętnie korzysta branża reklamowa. Na rynku dostępne są już np. drukarki 3D przeznaczone do wykonywania kasetonowych liter, montowanych następnie nad lokalami handlowo-usługowymi. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wykonywać tą metodą także personalizowane gadżety reklamowe czy też dekoracje np. na potrzeby targów branżowych.
Branże motoryzacyjna i lotnicza należą do szczególnie wymagających dziedzin przemysłu. Jednak i w tych obszarach druk 3D już teraz znajduje zastosowanie. Obecnie wykorzystywany jest głównie do produkcji prototypów, ale także wyposażenia narzędziowni. Możliwość wytworzenia dedykowanych narzędzi o ściśle określonych wymiarach, w niewielkiej liczbie sztuk i bez konieczności angażowania kosztowniejszych technologii zdecydowanie usprawnia procesy produkcyjne.
Zdjęcie główne: ZMorph Fab 3D Printer/pixabay.com
