Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie

Na razie to przede wszystkim drogie w produkcji i eksploatacji urządzenia dla inżynierów i designerów, wypluwające z trzewi prototypy. Lecz pojawiają się już zabawki dla hobbystów i firm, drukarkę 3D możesz sobie także złożyć samemu. Sprawdziliśmy, jak działają najpopularniejsze technologie.
Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie fot. Albert Zawada

Na początek...

No nie, kolejne trzy de? W filmach 3D wydaje ci się, że widzisz głębię obrazu, bo technika potrafi oszukać twój mózg. W grach z grafiką 3D obracasz trójwymiarowe obiekty, ale na płaskim jak deska ekranie. Dźwięk 3D to marketingowe hasło oznaczające system "jeszcze bardziej" dookólny. Jakkolwiek podejrzanie by to nie brzmiało, druk 3D jest najbardziej 3D ze wszystkich 3D! Bo to trójwymiar fizyczny, autentyczny, namacalny.

 

Czy to jest drukowanie?

Owszem, obiekt wychodzi z maszyny nakładającej warstwę na warstwie (na warstwie, na warstwie, na...). To technologia dodawania, przyrostu, a nie (jak rzeźbienie, toczenie, skrawanie) - ujmowania.

Warstwa: jej grubość (cienkość!) zależy od zastosowanych technologii i materiałów. Najczęściej to 0,1-0,2 mm. Urządzenia superprofesjonalne drukują warstwy 10-krotnie cieńsze! Oczywiście im cieńsza warstwa, tym wydruk dokładniejszy. Ale nawet z drukarki wartej milion złotych wychodzi przedmiot, któremu nie zaszkodzi dodatkowa obróbka.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, FDM: Fused Deposition Modelling Materiał: praktycznie wszystko, od tytanu do sera - zależnie od technologii i fantazji. Przy opisie poszczególnych technik znajdziesz najczęściej stosowane.

Obiekt: jeśli idzie o kształt, przy użyciu fajniejszych drukarek (które nie potrzebują materiału podporowego) sky is the limit - możesz drukować działające przekładnie i zamknięte przeguby. Wielkość przedmiotu zależy od wielkości komory drukarki i właściwości fizycznych materiału.

Projekt: aby coś wydrukować, potrzebujesz cyfrowego modelu 3D (najczęściej w formacie STL). Można go zaprojektować w programie typu CAD, ściągnąć z biblioteki w necie (Thingiverse.com, Shapeways.com, Sculpteo.com), skorzystać ze strony Cubify.com albo zeskanować przedmiot z realu (patrz slajd nr 4). Oprogramowanie obsługujące drukarkę podzieli model na warstwy. Aby nie marnować materiału i energii, często drukuje się jednocześnie kilka obiektów, wciskając je na etapie projektowania jeden obok drugiego.

Czas: zależy oczywiście od projektu i technologii. Kostka 3x3 cm w FDM to parę minut. Trzy piłeczki golfowe w LOM to 7 godz. W przypadku SLS samo grzanie maszyny to kilka godzin. Bo to nie są wyścigi na prędkość.

Cena: maszyny - od tysięca do milionów. Złotych, dolarów - nieważne, w tym tekście poruszamy się na poziomie trójwymiarowej idei. Zapominając o kosztach amortyzacji i eksploatacji, czyli de facto biorąc pod uwagę jedynie koszt materiału, zrobienie piłki do golfa to kilkanaście/kilkadziesiąt złotych. Większe obiekty to już kilka stów. Albo i dużo, dużo więcej.

Teraz czas na coś bardziej konkretnego. I skomplikowanego. Podstawowe technologie - ciągle w dużym uproszczeniu!

FDM: Fused Deposition Modelling FDM: Fused Deposition Modelling rys. Wawrzyniec Święcicki

Od najprostszych metod...

Osadzanie materiału topionego

FDM: Fused Deposition Modelling

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Drukarka 3D Dimension Elite, cena: 30 tys. dol.Najprostsza metoda, najtańsze urządzenia, stosunkowo szybki wydruk (powiedzmy: 1 cm3 na minutę). Polega na topieniu tworzywa sztucznego w formie filamentu (czyli nitki, drutu) i wyciskaniu go przez małą dyszę (ekstruder).

Np. ABS w 270°C. W temperaturze pokojowej materiał tężeje. Aby zapobiec odkształcaniu się obiektu w trakcie stygnięcia, wydruk jest wykonywany na płycie grzejnej (zdjęcie po prawej) albo cały proces odbywa się w podgrzewanej komorze (droższe, zamknięte urządzenia przypominające lodówki).

Drukowanie niektórych przedmiotów wymaga zbudowania rusztowania, które trzyma "wystające" fragmenty konstrukcji. Rusztowanie też jest drukowane. Albo z tego samego materiału - tylko ułożonego rzadziej, by można go było potem wykruszyć, albo innego, kruchego (lub łatwo rozpuszczalnego), z drugiej dyszy. Na takim urządzeniu najczęściej drukujemy prostsze obiekty albo części składowe. Więcej o ruchu FMD-owych majsterkowiczów w opisie "RepRap" na ostatnim slajdyie.

Materiał: termoplastyczne tworzywa sztuczne, np. PLA, ABS.

 

SLA: Stereolitografia

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, SLA: Stereolitografiarys. Wawrzyniec Święcicki

Zwana inaczej fotopolimeryzacją. Najstarszy - bo ćwierćwieczny - patent. I bardzo dokładny. Ciekły polimer (żywica epoksydowa lub akrylowa) jest utwardzany w "akwarium" przez promień światła UV. Warstwa po warstwie - w dół. Po zakończeniu wydruku gotowy obiekt po prostu wynurza się, a pozostały płyn jest ponownie używany. Z żywicy tworzy się również materiał podporowy, który zostaje odłamany w procesie obróbki.

Materiał: fotoutwardzalny ciekły polimer, np. żywica akrylowa lub epoksydowa.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, SLA: Stereolitografiafot. Albert Zawada

W pewnym sensie odmianą tej technologii jest Polyjet (Photopolymer Jetting) - najmłodsza i najbardziej precyzyjna z opisywanych, gdzie materiał fotoutwardzalny wylewany jest cienką warstwą i natychmiast utwardzany światłem UV. Następnie wylewana jest kolejna warstwa. I kolejna. I kolejna. Co ważne, poszczególne głowice mogą aplikować różne rodzaje materiału równocześnie. Inna głowica leje żelowy materiał podporowy, usuwany następnie wodą pod ciśnieniem. Postawiony na Wydziale Wzornictwa ASP w Warszawie Objet Eden 250 (30 tys. dol.) umożliwia druk w kolorach białym, czarnym i jasnoniebieskim.

 

LOM: Laminated Object Manufacturing

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, LOM: Laminated Object Manufacturing rys. Wawrzyniec Święcicki

Wytwarzanie obiektów laminowanych z warstw materiału, które układane są z "kartek" (wkładanych do maszyny w formie rolki i automatycznie ciętych). Nóż bądź laser (dla uproszenia schematu niezaznaczone na rysunku poglądowym) wycina kształt w każdej warstwie, materiał jest smarowany klejem, tam gdzie ma powstać przedmiot, a w pozostałych miejscach - antyklejem. Dzieło musimy wydłubać z bloku. Takie produkty są dość wytrzymałe i elastyczne, odporne na wysoką temperaturę.

Materiał: PCV, papier, laminat metalizowany.komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, LOM: Laminated Object Manufacturing

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Drukarka 3D Solido SD300-Pro, cena: 7950 Eurofot. Albert Zawada

Budowanie z materiałów sproszkowanych  Budowanie z materiałów sproszkowanych fot. Albert Zawada

...po technologie NASA

Budowanie z materiałów sproszkowanych

W przypadku tej metody (inne odmiany na kolejnej stronie) trzeba się dostać do przedmiotu przez pozbycie się nadmiaru proszku sposobami mniej więcej archeologicznymi. Pozostały materiał może być użyty ponownie.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, SLS: Selective Laser Sintering rys. Wawrzyniec Święcicki

 

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, SLS: Selective Laser Sintering SLS: Selective Laser Sintering

Selektywne spiekanie laserowe. Promień podgrzewa kolejne warstwy proszku do bardzo wysokiej temperatury (zależy od materiału, kilkaset stopni), powodując połączenie - spieczenie lub stopienie (w przypadku szkła) - drobin. Po każdym strzale lasera świeży proszek jest nagarniany ramieniem machiny. I tak mikrometr po mikrometrze... Obiekty spiekane w ten sposób nie potrzebują materiału podporowego, a technika jest dość precyzyjna, więc możesz tworzyć fantazyjne układy mechaniczne czy protezy. Maszyny bywają bardzo drogie (w Instytucie Mechaniki i Poligrafii Politechniki Warszawskiej oglądaliśmy w pracy Eos Forminga P100 za... milion złotych) i wymagają zaplecza urządzeń pomocniczych (klimatyzator, sito do recyklingu proszku).

Materiał: tworzywa sztuczne w formie proszku, np. poliamid; także ceramika, szkło.

Jeśli laserem spiekamy metal - stal, kobalt chrom, tytan - mówimy o technologii DMLS (Direct Metal Laser Sintering).

 

EBF3: Electron Beam Freeform Fabrication

Taka drukarka zamiast lasera używa strumienia elektronów emitowanych z działa elektronowego - coś podobnego było w telewizorach kineskopowych - a materiałem są drobinki metalu. Dzięki bardzo wysokiej temperaturze (700-1000°C) wychodzą wytrzymałe produkty, niemające tendencji do odkształcania się przy stygnięciu (jakie występują przy innych technikach wykorzystujących podgrzewanie). Podobnie jak w przypadku SLS na wyjęcie materiału trzeba poczekać nawet kilka godzin.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, NASA planuje zastosować technologię druku 3D do produkcji części w kosmosie w warunkach braku grawitacjifot. NASA

NASA już pracuje na drukarce z ogromną komorą próżniową i planuje zastosować technologię do produkcji części w kosmosie w warunkach braku grawitacji. Zaawansowana machineria, nie dla Kowalskiego, nieobecna na polskich uczelniach.

Materiał: metale, często tytan.


Inkjet Printing (3DP)

Drukowanie na podkładzie proszkowym, który jest wstępnie łączony przez płynne spoiwo. Po wyjęciu z maszyny i oczyszczeniu delikatny obiekt wymaga utwardzenia przez nasączenie, np. żywicą epoksydową. W trakcie wydruku do łącznika można dodawać barwnika osiągając kolory z palety CMYK (efekt nie powala i np. na warszawskiej Akademii Sztuk Pięknych obiekty barwione są dopiero na etapie "postprodukcji").

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Inkjet Printing (3DP)

Materiał: gips, tworzywa sztuczne.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Drukarka 3D Z-Corp 510, cena: 14 tys. dol.fot. Albert Zawada

Aby zeskanować obiekt odbijający światło, należy go posypać matową substancją. Aby zeskanować obiekt odbijający światło, należy go posypać matową substancją. fot. Albert Zawada

Skanowanie 3D

Aby zeskanować obiekt odbijający światło, należy go posypać matową substancją.

Aby przenieść obraz trójwymiarowych obiektów do pamięci komputera, musisz opisać maksymalną liczbę punktów powierzchni przedmiotu za pomocą układu współrzędnych XYZ. Technologii jest wiele - wszystkie skanery 3D, duże konstrukcje i przenośne pistoleciki, działają na zasadzie wielokrotnego powtarzania operacji, obraz powstaje przez zsumowanie "zdjęć"/pomiarów. Skanować możesz nawet Kinectem. W niektórych technologiach "zeskanujesz" także paletę kolorów.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Skaner ręczny Artec MH, cena: 10 200 eurofot. Albert Zawada

Triangulacja - laserowa lub światła strukturalnego - skaner wyświetla na przedmiocie proste linie, które padając na niego, przestają być proste; zamontowana kamera robi zdjęcie, a komputer porównuje krzywą kreskę z prostą wzorcową.

Fotogrametria - stosowana przy dużych przedmiotach; skaner wykonuje bardzo wiele zdjęć, które skleja w obraz 3D przy użyciu wspólnych dla wszystkich ujęć punktów referencyjnych.

Pomiar odbicia czasu - skaner działający na zasadzie "świetlnego radaru"; promień oświetla przedmiot, skaner oblicza kształt, mierząc zmieniający się zależnie od odległości czas powrotu wiązki.

Pomiar przesunięcia fazy - skaner oświetla przedmiot promieniem lasera i porównuje zmianę fazy odbitego promienia światła.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Obraz 3D łukasza Figielskiegofot. 3D Master

Gdyby redaktor Ł.F. nie kręcił się na krześle, jego popiersie 3D byłoby mniej podziurawione.

 

Projekt RepRap

Projekt społecznościowy, którego głębszą ideą jest stworzenie maszyny samoreplikującej. W praktyce: korzystając z wzorów udostępnianych na zasadzie open source - otwartego dostępu - majsterkowicze sami składają maszyny FDM, szukając konstrukcji idealnej. To np. słynny Markerbot, polskie Rapcraft czy CB-printer.

komputery, akcesoria komputerowe, testy, Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie, Drukarka 3D CB-printer, cena: 1750 eurofot. Albert Zawada

Na www.3ders.org znajdziesz porównanie cen anarchistycznych drukarek FDM gotowych lub do samodzielnego składania. Ceny poniżej 400 dol. Rewolucja nadchodzi!

 

Drukowanie broni

Czy jest to możliwe technicznie? Eksperci uważają, że nie - choćby ze względu na fakturę lufy. Ale w sieci znajdziesz filmik, na którym z wydrukowanego w technologii SLA karabinu AR-15 udaje się oddać sześć strzałów (po czym broń się rozpada). Z legalnego punktu widzenia - niedozwolone w Polsce. W Ameryce o wolność druku gnatów walczą aktywiści z organizacji Defense Distributed. Sprawdź, czy działa ich strona www.defcad.org, gdzie znajdziesz kilkadziesiąt modeli. A co z prawami patentowymi? Teoretycznie nie można drukować AR-15 ani ray-banów. Tak samo jak nie można umieszczać zastrzeżonego wzoru 3D w sieci. Czas pokaże, jak firmy poradzą sobie z rodzącą się gałęzią piractwa.

 

Za pomoc w realizacji materiału dziękujemy Instytutowi Mechaniki i Poligrafii (dr inż. Roman Grygoruk i mgr inż. Anna Floriańczyk) oraz Wydziałowi Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, Wydziałowi Wzornictwa Akademii Sztuk Pięknych w Warszawie (dr inż. Przemysław Siemiński, Jerzy Smoleński), firmom 3D Master (www.3dmaster.com.pl) i CB-printer (cb-printer.com), jak również ekipie 3d-spot.pl (Bartłomiej Nowakowicz).

Więcej o:
Komentarze (1)
Drukowanie 3D: testujemy najnowsze technologie
Zaloguj się lub komentuj jako gość
  • 0

    Świat nie stoi w miejscu i dzisiaj bez problemu można drukować w każdym kolorze. Na platformie 3D Designers można kupić żywicę akrylową fotoutwardzalną o twardości >70 D. w palecie kolorów CMYK oraz dodatkowo kolor: biały, aluminium, miedź, przezroczysty, złoty, srebrny, perłowy oraz fluorescencyjny. Nie będę tłumaczył jakie możliwości daje cmyk, bo to każdy może znaleźć w google.

Aby ocenić zaloguj się lub zarejestrujX