Wprowadzenie do druku 3D
Druk 3D - historia i rozwój
Drukowanie 3D to jeden z najbardziej nowoczesnych sposobów, który wykorzystywany jest różnych w procesach produkcyjnych. Co ciekawe, druk 3D stale się rozwija i wciąż znajduje nowe obszary zastosowań.
Pierwsza drukarka 3D została stworzona przez Charlesa W. Hulla pod koniec XX wieku – dokładnie w 1984 roku. Hull na co dzień zajmował się tworzeniem nowych technik pokrycia blatów żywicą, która utwardzana była światłem UV. Swoją przygodę z badaniami nad drukiem 3D zaczął od konstruowania trójwymiarowych przedmiotów, zbudowanych z kilkunastu warstw żywicy.
W latach 90. druk 3D uważany był za bardzo drogi w porównaniu z innymi metodami produkcji w przemyśle. Dodatkowo wykonane przedmioty nie zachwycały jakością – wręcz przeciwnie – można było zauważyć mnóstwo niedoskonałości. Jednak w dzisiejszych czasach, czyli 30 lat później, drukarka 3D stała się urządzeniem w pełni gotowym i przynoszącym dużo korzyści.
Na rynku można zauważyć wzrost zastosowania drukarki 3D, ponieważ staje się niezastąpioną częścią w wielu branżach. Produkty spożywcze, protezy, organy człowieka, a nawet duże budowle można wydrukować w trójwymiarowej postaci.
Idea tanich, samoreplikujących się drukarek 3D powstała w 2004 roku na Uniwersytecie Bath w Wielkiej Brytanii, a jej pomysłodawcą był tamtejszy wykładowca, inżynier i matematyk Adrian Bowyer. Bowyer stworzył projekt RepRap (skrót od „Replicating Rapid-prototyper„), który w przeciągu kolejnej dekady stał się podwaliną pod rewolucję druku 3D na całym świecie.
Źródło: centrumdruku3d.pl
Metody drukowania
Istnieją dwie najpopularniejsze i najbardziej dostępne metody drukowania dla zwykłych ludzi: drukowanie FDM i drukowanie żywicą.
Drukowanie FDM wykorzystuje filamenty na bazie tworzyw sztucznych (najbardziej popularne to PLA i ABS). Proces drukowania polega na przeciskaniu szpuli filamentu za pośrednictwem ekstrudera przez specjalną nagrzaną dysze (tzw. nozzle). Dysze te mogą posiadać różną średnice wyjściową dla filamentu oraz być z różnych materiałów w zależności od ich przeznaczenia i jakości druku jaką chcemy uzyskać. W procesie podgrzewania dyszy przez tzw. Hotend (temperatury tu zaczynają się od 210°C) przepuszczany filament ulega częściowemu roztopieniu co czyni go bardziej plastycznym. Następnie poprzez ruchy ramion oraz stołu grzewczego (nagrzanego do co najmniej 50°C) w osiach X, Y oraz Z, w momencie zetknięcia się filamentu wypływającego z dyszy ze stołem powstają pojedyncze warstwy o określonych kształtach, które będą nakładane jedne na drugie, aż do uzyskania pożądanego kształtu, co za tym idzie ukończonego druku 3D.
Ciekawostka: Częścią składową filamentów PLA, która stanowi jej bardzo dużą część jest materiał uzyskiwany z kukurydzy, co czyni to tworzywo sztuczne biodegradowalnym.
Źródło: g3d.eu
Druk żywiczny wykorzystuje, jak sama nazwa wskazuje, żywicę, głównie żywicę epoksydową. Drukarka składa się głównie z dużego zbiornika i specjalnego ekranu LCD, który naświetla żywicę światłem UV, aby ją utwardzić. I tak naprawdę wygląda cały proces druku. Zbiornik jest napełniany żywicą o pożądanym kolorze i właściwościach, a platforma do której jest zamontowany ekran LCD powoli się podnosi z dna zbiornika, naświetlając przy tym żywicę w odpowiednich miejscach, aż do momentu całkowitego wynurzenia. Proces ten, więc może się wydawać mniej skomplikowany, jednakże wymaga on o wiele więcej pracy ze względu na inne materiały eksploatacyjne niż w przypadku drukarek FDM. Tutaj przed rozpoczęciem druku, a nawet przed samym nalaniem żywicy należy dokładnie wyczyścić zbiornik za pomocą IPA lub innego specjalnego środka chemicznego, aby pozbyć się zanieczyszczeń, które mogłyby mieć ogromny wpływ na właściwości żywicy, czy wgl. sam proces drukowania. Następnie przygotować własny środek lub skorzystać z gotowej mieszanki żywicy, w zależności od kolorów, które chcemy uzyskać, wlać mieszankę do zbiornika i dopiero wtedy można rozpocząć drukowanie.
Uwaga: Żywica jak i każdy inny środek chemiczny używany w powyższym procesie jest niezwykle toksyczna i szkodliwa dla zdrowia, co za tym idzie należy zastosować odpowiednie środki ochrony osobistej.
Źródło: cadxpert.pl
Źródło: ~Jacek Konczalski
Co warto wiedzieć przed zakupem drukarki 3D
Ceny tych drukarek są zróżnicowane na wielu poziomach, jednakże w większości przypadków ostatecznie w przypadku domowych zastosowań drukarki żywiczne są droższe.
W obydwu przypadkach, jednak będziesz musiał zaopatrzyć się w duże zapasy materiałów eksploatacyjnych: filament wykonany z wybranego materiału (w przypadku FDM) i żywica epoksydowa + IPA (w przypadku drukarki żywicowej). Do tego oczywiście dochodzą jeszcze narzędzia i środki ochrony osobistej, czy chociażby odpowiednie pojemniki na odpady lub takie przeznaczone do kąpieli chemicznych.
Ponownie ceny bardzo się różnią w zależności od materiałów i efektów do jakich dążymy. W przypadku przeliczenia materiałów na ilość wydruków filament będzie tańszą opcją. Jedna rolka filamentu o wadze 1 kg w porównaniu do jednej butelki żywicy 1 kg wychodzi po prostu taniej. Ponadto w przypadku filamentu możemy zatrzymać i wznowić drukowanie, kiedy tylko chcemy, natomiast w przypadku żywicy zaleca się wykorzystanie całej żywicy w zbiorniku na raz, co stwarza pewne komplikacje.
Kolejną rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że drukarka 3D nawet, gdy jest prawidłowo używana to nie będzie psuć się zbyt łatwo, ale z czasem i coś ulegnie zużyciu lub będzie wymagać dodatkowej regulacji. Wszystko oczywiście w zależności od tego, jak długo drukarka pracuje i ile wydruków wykonujemy. Zwłaszcza w przypadku drukarek FDM zawsze znajdą się jakieś elementy wymagające wymiany, dobrą więc praktyką jest posiadanie części zamiennych na wszelki wypadek od samego początku. (przede wszystkim dysze).
Oczywiście zdarza się to również w przypadku drukarek żywicznych, ale większości przypadków, jeżeli odpowiednio przygotowujemy naszą drukarkę przed i po druku, to ograniczy się to do wymiany szklanego zbiornika.
Bardzo ważną kwestią w obydwu przypadkach jest również konieczność posiadania dedykowanego miejsca do korzystania z drukarki, najlepszym wyborem nie jest salon, czy twój pokój, a prędzej garaż lub strych. Wynika to z faktu, że jakość wydruku może się znacznie pogorszyć ze względu na zbyt wysokie/zbyt niskie temperatury i inne czynniki atmosferyczne lub środowiskowe. Pomijając kwestie jakości należy pamiętać także, że nie tylko druk żywiczny jest bardzo niebezpieczny dla zdrowia, jeżeli nie zadba się o odpowiednią ochronę i system wentylacji, ale także niektóre rodzaje filamentów w przypadku druku FDM mogą generować toksyczne opary w procesie topienia tworzywa. (wszystko zależy od rodzaju filamentu, PLA jest uważany za bezpieczny, natomiast ABS już potrafi być mocno szkodliwy)
Źródło: ~Jacek Konczalski
Zalety i wady drukowania FDM
Zalety:
Stosunkowo tańszy niż druk żywiczny.
Jedna szpula filamentu może być używana do wielu osobnych wydruków.
Większość drukarek FDM można ulepszyć lub dostosować pod siebie na wiele sposobów, zapewniając np. lepszą jakość wydruku lub wygodę użycia.
Istnieje wiele rodzajów tworzyw do wyboru (większość z nich to PLA i ABS, ale są też inne lub mieszanki procentowe niektórych, jak np. PLA zmieszane z drewnem lub PLA z zawartością włókna węglowego).
Zalecane jest dedykowane pomieszczenie z wentylacją, lecz nie jest to konieczne (dopóki nie używasz filamentu, który generuje toksyczne opary)
Duży wybór kolorów i właściwości tworzyw
Wytrzymałość wydruku zależy od wielu czynników, głównie od rodzaju filamentu, ale w większości przypadków jest znacznie większa niż druków żywicznych
Można łatwo poddać wydruki postprocessingowi
Wady:
Drukarka wymaga czasami manualnej i czasochłonnej kalibracji.
Jakość zależy od: jakości części, kalibracji, rodzaju tworzywa, oprogramowania.
Nawet w wydrukach najlepszej jakości wciąż będzie się dało zauważyć osobne warstwy.
Przezroczyste lub półprzezroczyste druki nie są zbytnio możliwe (istnieje kilka metod i rodzajów tworzyw, które w tym pomagają, jednakże efekty są co najwyżej średnie).
Źródło: ~Jacek Konczalski
Zalety i wady drukowania żywicą
Zalety:
Możesz tworzyć własne mieszanki żywicy, które nadają wydrukowi nietypową i/lub wielokolorową fakturę (czego nie można zrobić z filamentem FDM).
Możesz tworzyć przezroczyste lub półprzezroczyste wydruki bez większych problemów.
Jakość wydruków zależy głównie od rozdzielczości LCD, ale jest znacznie lepsza niż wydruków FDM (są o wiele gładsze, a drobne szczegóły są o wiele bardziej uwydatnione i dostrzegalne gołym okiem).
Wady:
Przeważnie droższe niż drukowanie FDM.
Jedno napełnienie zbiornika powinno zostać wykorzystane w jednej sesji drukowania (najczęściej konieczne jest całkowite napełnienie zbiornika lub jego większości, aby w ogóle rozpocząć drukowanie).
Istnieje niewielka różnorodność gotowych mieszanek żywicy i kolorów (przeważnie będziesz musiał przygotować własną mieszankę, aby uzyskać określone kolory lub właściwości).
Potrzebujesz specjalnego pomieszczenia z wentylacją (żywica wytwarza bardzo toksyczne opary, prócz tego, będziesz także musiał stosować inne środki chemiczne, więc zaleca się zachować pełną ostrożność).
Potrzebujesz znacznie więcej środków zapobiegawczych podczas pracy z żywicą i drukarką żywiczną niż w przypadku pracy z drukarką FDM.
Trwałość wydruku nie jest bardzo niska, ale dużo niższa niż wydruki FDM.
Zbiornik wymaga odpowiedniego przygotowania przed i po każdej sesji drukowania.
Nie ma dobrych sposobów na postprocessing wydruków żywicznych (z niewielkim wyjątkiem wydruków przezroczystych i półprzezroczystych, gdyż tu można nieco wzmocnić efekt przezroczystości odpowiednimi środkami, w pozostałych przypadkach na szczęście nie jest to specjalnie wymagane, chyba, że nie wyszedł nam sam druk)
Druki wymagają specjalnej kąpieli chemicznej, aby zneutralizować szkodliwe właściwości żywicy.
Źródło: ~Jacek Konczalski
Alternatywy dla druku 3D
Druk 3D jest najbardziej dostępnym sposobem tworzenia własnych figurek, mechanizmów lub chociażby części do Lego Technic, niemniej istnieją także alternatywy. Najlepszym, co można zrobić moim zdaniem, przynajmniej jeżeli celujemy w jakość powierzchni i odwzorowanie przedmiotów/stworzenia kilku identycznych egzemplarzy, jest tzw. Resin Casting.
Obecnie wiele przedmiotów dla przykładu takie klocki Lego są wytwarzane przy użyciu przemysłowych, specjalnie dedykowanych maszyn, które wykorzystują wtryskiwanie roztopionego plastiku do olbrzymich stalowych form. (tzw. Inject Molding)
Ciekawostka: Lego przez bardzo długo korzystało z ABS, jednakże w ostatnich latach przerzucili się na PLA.
Oczywiście osoby prywatne nie mają ani miejsca, ani pieniędzy, aby posiadać maszyny tego rodzaju. Istnieje na szczęście dobra alternatywa. Resin Casting to swego rodzaju bardziej manualna i zminiaturyzowana wersja powyżej przedstawionego zabiegu. Jest dosyć przystępna cenowo, a wprawiona osoba potrafi zrobić naprawdę niezwykłe twory, które jakością nie odbiegają od tych tworzone przez wielkie koncerny. Zasada działania jest ta sama, posiadamy formę (którą w tym przypadku musieliśmy przygotować wcześniej sami przy użyciu silikonu) i zalewamy ją dokładnie lecz powoli mieszanką żywicy i aktywatora, który tą żywice utwardzi.. Wlewając nasz roztwór należy uważać, aby przypadkiem nie zamknąć powietrza w środku, co spowodowałoby powstanie widocznej bańki w naszym tworze. W zależności od ilości i wielkości takich baniek, a także ich położenia mogą one owocować całkowitą klęską w naszej próbie tworzenia. Po odczekaniu odpowiedniej ilości czasu możemy otworzyć formę (dobrze przygotowane formy potrafią być wielorazowe), a ta powinna ukazać nasz oczekiwany przedmiot.
Niestety tak jak druk 3D i w zasadzie wszystko, wymaga to naprawdę dobrej wiedzy na temat tego, co robisz, należy znać pewne zależności, wiedza z działów takich jak chemia i fizyka na pewno też okażą się pomocne i po prostu mnóstwo cierpliwości i nauki na błędach.
Źródło: ~Jacek Konczalski
Zadanie - druk 3D
1. Przyszłość druku 3D w wybranej dziedzinie.
Zadanie polega na napisaniu krótkiego eseju na temat przyszłości druku 3D w wybranej dziedzinie. W eseju należy opisać, jak druk 3D może rozwijać się w danej branży lub obszarze, jakie możliwości stwarza ta technologia, jakie wyzwania mogą się pojawić oraz jakie innowacje mogą się pojawić w najbliższych latach. Warto uwzględnić również, jakie potencjalne korzyści druk 3D może przynieść w długoterminowej perspektywie, np. w medycynie (drukowanie organów), budownictwie (drukowanie budynków) czy przemyśle motoryzacyjnym (produkcja części zamiennych).
2. Analiza budowy drukarki 3D FDM i propozycje usprawnień
W tym zadaniu należy przeanalizować budowę drukarki 3D typu FDM (Fused Deposition Modeling) i zastanowić się, jakie elementy można potencjalnie ulepszyć. Skup się na kluczowych komponentach drukarki oraz ich funkcjach.
Instrukcje
Przeprowadź analizę budowy drukarki FDM:
Opisz główne elementy drukarki FDM, takie jak: hotend, ekstruder, stół roboczy, napędy osi, dysza, wentylatory, ramka drukarki.
Zidentyfikuj potencjalne usprawnienia:
Wymień i opisz, które części drukarki można wymienić lub ulepszyć w celu poprawy jakości wydruków, trwałości sprzętu lub zwiększenia możliwości drukarki.
Weź pod uwagę takie modyfikacje, jak:
Wymiana dyszy na bardziej precyzyjną.
Zmiana ekstrudera na mocniejszy, co pozwoli na drukowanie z bardziej wymagających materiałów.
Dodanie automatycznego poziomowania stołu roboczego.
Zastosowanie nowoczesnych materiałów ramy w celu zwiększenia stabilności.
Montaż dodatkowych wentylatorów dla lepszego chłodzenia filamentu.
Oceń wpływ usprawnień:
Dla każdego proponowanego usprawnienia opisz, jakie korzyści może przynieść (np. wyższa jakość wydruków, szybsze drukowanie, mniejsze zużycie materiału, większa precyzja).
Zastanów się, czy istnieją jakieś potencjalne wady tych usprawnień (np. wyższe koszty, bardziej skomplikowana obsługa).
Oczekiwany rezultat:
Stwórz listę 5-7 konkretnych usprawnień z krótkimi opisami, jak wpływają na działanie drukarki oraz potencjalnymi zaletami i wadami.
3. Analiza alternatywnych metod druku 3D
W tym zadaniu należy zapoznać się z innymi metodami druku 3D, które różnią się od technologii FDM (Fused Deposition Modeling) i druku żywicznego. Celem jest opisanie przynajmniej jednej alternatywnej technologii druku 3D, skupiając się na jej zasadzie działania, zastosowaniach oraz zaletach i wadach.
Instrukcje:
Wybierz alternatywną metodę druku 3D:
Zidentyfikuj przynajmniej jedną technologię, np. SLS (Selective Laser Sintering), DMLS (Direct Metal Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting), Binder Jetting, Laminated Object Manufacturing (LOM), lub inne mniej popularne.Opisz zasadę działania wybranej technologii:
Wyjaśnij, jak działa wybrana technologia druku 3D, jakie materiały są wykorzystywane, oraz jak proces tworzenia modelu różni się od FDM i druku żywicznego.Zastosowania w przemyśle:
Podaj przykłady zastosowania tej technologii w różnych branżach (np. produkcja przemysłowa, medycyna, motoryzacja, lotnictwo). Jakie korzyści przynosi wybrana technologia w porównaniu do innych metod?Ocena zalet i wad:
- Opisz główne zalety wybranej technologii (np. możliwość drukowania z metali, wyższa precyzja, możliwość tworzenia skomplikowanych geometrii).
- Wskaż potencjalne wady, takie jak wyższe koszty, potrzeba specjalistycznego sprzętu, ograniczenia materiałowe.
Oczekiwany rezultat:
Stwórz szczegółowy opis alternatywnej metody druku 3D (minimum 250 słów) z wyjaśnieniem jej działania, typowymi zastosowaniami, zaletami i wadami.