NEXT 2/2009 - Drukowanie w trójwymiarze

Aby stworzyć trójwymiarowy model projektowanego urządzenia lub jego części, wykorzystuje się technologie określane wspólnym mianem szybkiego wykonywania prototypów (ang. rapid prototyping). Jednym z urządzeń stosowanych przy takich pracach są drukarki 3D.

Jak powstają trójwymiarowe wydruki

Wydruki 3D bazują na trójwymiarowych modelach obiektów opracowywanych w programach inżynierskich. Na ich podstawie drukarki tworzą poziome przekroje modelu, które już jako obiekty dwuwymiarowe przenoszone są na kolejne warstwy wydruku. Sklejone ze sobą, warstwa po warstwie, tworzą odwzorowywany obiekt 3D. W ten sam sposób do drukarki można przenieść dane z diagnostycznej aparatury medycznej, takiej jak tomografy komputerowe czy urządzenia do rezonansu magnetycznego. Gotowy model ułatwia lekarzom analizę układu kostnego pacjenta.

Przy modelowaniu części maszyn, nowych urządzeń czy też np. całych budynków, inżynierowie posługują się nie tylko rysunkami technicznymi i wizualizacjami stworzonymi w programach CAD (Computer Aided Design), ale również ich trójwymiarowymi modelami. Jedną z metod ich uzyskiwania są trójwymiarowe wydruki.

Drukowanie w przestrzeni

Obecnie istnieją dwie podstawowe metody przestrzennego drukowania. Pierwsza z nich sprowadza się do natryskiwania warstw płynnego, szybkoschnącego tworzywa w taki sposób, że naniesienie każdej kolejnej warstwy buduje trójwymiarowy kształt modelu. Druga z metod polega na utwardzaniu sproszkowanego materiału nanoszonego warstwa po warstwie przez specjalny dozownik.

Pierwsza z wymienionych metod nosi nazwę FDM (Fused Deposition Modeling). Zazwyczaj wykonuje się nią trójwymiarowe modele z polimeru, takiego jak np. ABS. Materiał ten zwany jest bazowym. W tej technologii niezbędne jest jeszcze użycie drugiego, dodatkowego materiału zwanego podporowym. To z niego wytwarza się szkielet, który sprawia, że tworzony obiekt przestrzenny podczas procesu drukowania 3D po prostu się nie przewróci. Materiałem podporowym może być np. inny łatwy do usunięcia plastik lub np. specjalnie utwardzana skrobia. W pierwszym przypadku po wydrukowaniu przedmiotu elementy podporowe modelu po prostu się odcina, w drugim – rozpuszcza się je w wodzie.

Jak można się domyślić, materiały bazowy i podporowy nanoszone są przez oddzielne dysze. Sama zasada działania drukarki 3D wykorzystującej technologię FDM przypomina pracę zwykłej drukarki atramentowej. Głowica z dwoma dyszami przemieszcza się w płaszczyźnie XY i nanosi w odpowiednich miejscach warstwę materiału polimerowego. Po jego zastygnięciu, co trwa najwyżej kilka sekund, głowica wraz z całym mechanizmem podnoszona jest minimalnie w górę (ewentualnie obniżana jest płyta podstawy, na której powstaje modelowany obiekt) i nanoszona jest kolejna warstwa.

W jednym kolorze

Wykorzystanie dwóch dysz pozwala drukować tylko w jednym kolorze, odpowiadającym barwie wykorzystanego polimeru. Otrzymanie modeli kolorowych wymagałoby już większej liczby dysz dostarczających bazowe tworzywa sztuczne o innych barwach składowych, co znacząco podniosłoby koszty i tak już bardzo drogiego urządzenia. Dlatego w praktyce nie spotyka się maszyn FDM drukujących obiekty w kolorze.

Drukarki 3D modelujące obiekty techniką FDM mogą tworzyć elementy o ściankach grubości około 0,4–0,6 mm, a minimalna średnica walca, jaki można w ten sposób wydrukować, to zwykle 0,75 mm. Grubość nakładanej warstwy to zwykle 0,1 mm. Parametry te zależą od producenta i konkretnego modelu drukarki 3D. Komora modelująca pozwala drukować obiekty o wielkości nieprzekraczającej 30–50 cm. Jednak największą zaletą technologii FDM jest to, że wykonane tą techniką prototypy można łatwo poddać obróbce, np. szlifowaniu, wierceniu, malowaniu, chromowaniu. Uzyskane w ten sposób elementy można również łatwo ze sobą łączyć za pomocą odpowiedniego kleju.

Utwardzanie proszku

Druga z metod drukowania 3D – utwardzanie proszku – stosowana jest głównie w drukarkach firmy Z Corporation. Polega ona na warstwowym nanoszeniu na przemian spoiwa i specjalnego proszku bazowego. Cały cykl powtarzany jest na przemian, aż do zakończenia procesu drukowania obiektu. Później odczekuje się jeszcze około godziny po to, aby zaszły do końca chemiczne procesy łączenia spoiwa. Następnie usuwany jest niezwiązany proszek i można już wyjąć gotowy model. Jego wytrzymałość nie jest jednak zbyt duża, dlatego element należy poddać procesowi utwardzania. Polega on na nasycaniu modelu specjalnym lakierem lub płynną żywicą epoksydową.

Zaletą tej metody jest możliwość drukowania przestrzennego w kolorze. Urządzenie o nazwie ZPrinter 450 wyposażone jest dodatkowo w zwykłą głowicę atramentową. Nanosi ona na drukowaną warstwę barwny tusz, kolorując model.

Stosowane przez firmę Z Coropration głowice drukujące pozwalają na wydruk z dokładnością do 600 dpi. Przekłada się to na możliwość tworzenia ścianek obiektów o grubości 0,1 mm. Tej samej grubości nakładana jest pojedyncza warstwa proszku. Metoda proszkowa jest zatem znacznie dokładniejsza przy odwzorowywaniu obiektów 3D niż metoda FDM. Wielkość drukowanych obiektów w obu wypadkach jest porównywalna. Obie pozwalają też na wydruk elementów elastycznych. Wadą metody proszkowej jest natomiast kruchość drukowanych obiektów wynikająca z mniejszej wytrzymałości mechanicznej zastosowanych spoiw.

Urządzenia laserowe

Obie opisane metody przypominają w swoich założeniach atramentową technologię drukowania. W pierwszej z dysz wystrzeliwany polimer budujący warstwę drukowanego obiektu, w drugiej – specjalny klej.

Istnieje jednak technologia druku przestrzennego przypominająca drukarki laserowe. Jest to metoda SLS (Selective Laser Sintering). Również w tym przypadku wydruk polega na nanoszeniu cienkich warstw proszku i ich utwardzaniu. Wykonywane jest ono za pomocą sterowanej głowicy laserowej, która rysuje wzór na każdej z warstw. Na skutek podniesienia temperatury, w miejscach, na które padła wiązka światła, materiał jest spiekany. Tak jak w innych urządzeniach, cykle świecenia i nanoszenia proszku powtarzane są naprzemiennie aż do chwili otrzymania gotowego modelu.

Wykonane w ten sposób elementy cechują się dużą trwałością. Istnieją też maszyny wykorzystujące lasery większej mocy pozwalające na drukowanie obiektów metalowych (głównie z aluminium). Wówczas do druku stosowany jest proszek metaliczny (mieszanina metali lub metale i proszki ceramiczne), umożliwiający tworzenie trwałych i równych spieków metalicznych. Ponieważ laser może operować z bardzo dużą dokładnością rzędu 1200 dpi, modele wykonane metodą SLS cechują się bardzo dużą precyzją wykonania. Łatwo jest też je łączyć metodami mechanicznymi w większe modele, a te wykonane z metalu mogą nawet niekiedy w normalny sposób pracować, tak jak będzie to miało miejsce w wyrobie seryjnym. Mało tego, metodą SLS drukuje się nie tylko modele i prototypy elementów, ale również formy do wtryskowego formowania tworzyw sztucznych, formy odlewnicze oraz pełnowartościowe narzędzia do produkcji seryjnej, takie jak uchwyty czy matryce.

Własna drukarka lub usługa

Niestety drukarki 3D nie należą do najtańszych. Najprostsze urządzenia kosztują około 10–15 tys. zł. Na lepsze, profesjonalne modele trzeba przeznaczyć co najmniej 100 tys. zł. Na szczęście również w Polsce jest wiele firm i instytutów badawczych dysponujących odpowiednimi urządzeniami, które świadczą usługi wykonywania wydruków 3D. Dzięki temu każdy, kto wykonuje do celów projektowych taki trójwymiarowy model obiektu, nie musi od razu kupować drogiej drukarki. Wystarczy, że zleci jego wykonanie odpowiedniej firmie.

Ocena:    (aby ocenić, musisz się zalogować w serwisie)

 del.icio.us |  Wykop mnie |  Digg this story |  dodajdo.com

• Druk w firmie: Ile kosztuje wydruk? »
  Raport IT w MSP
• Druk w firmie: Dobry sprzęt gwarancją sukcesu »
  Raport IT w MSP
• Zgodne kolory »
  kalibracja kolorystyczna sprzętu komputerowego
• Druk w firmie: Warunki zamówienia »
  Raport IT w MSP
• Domowy fotolab »
  CANON SELPHY ES1