Zanim powstanie wydrukowany przedmiot na
leży najpierw przygotować jego model w oprogra
mowaniu do tworzenia trójwymiarowych obiek
tów, a następnie przygotować odpowiednio do druku. Do projektowania można stosować róż
ne programy, zarówno komercyjne, jak i darmo
we, jak np. 3ds Max® firmy Autodesk®, użytko
wany w chmurze na zasadach darmowej licencji w projektach niekomercyjnych realizowanych przez uczniów i nauczycieli. Darmowy program Blender® można natomiast zainstalować i stoso
wać również komercyjnie. Należy jednak zwrócić uwagę by oprogramowanie pozwalało na optyma
lizację bryły pod kątem druku 3D i eksport pli
ku do formatu zgodnego oprogramowaniem dru
karki. Po wymodelowaniu obiektu zazwyczaj jest on eksportowany do formatu .stl, który został opracowany przez Charlesa Hulla i zastosowany w jego drukarkach (tabela 1), a obecnie format ten stał się standardową formą kodowania geo
metrii obiektów 3D. W trakcie eksportu dochodzi
do triangulacji powierzchni bryły, a współrzęd
ne (X, Y, Z) każdego punktu zapisywane są w pli
ku tekstowym. Plik ten jest wczytywany do opro
gramowania przygotowującego obiekt do druku (tzw. slicer). Program może być dedykowany do konkretnego modelu drukarki i dostarczany z nią przez producenta, można także korzystać z in
nych, darmowych lub komercyjnych programów.
Oprogramowanie to odtwarza geometrię z danych zawartych w pliku .stl i generuje warstwy o zada
nych przez użytkownika parametrach [1, 5]. Pod
stawowym parametrem decydującym o dokładno
ści odtworzenia obiektu, a także determinującym czas wydruku jest wysokość warstwy. Zmniejsze
nie wysokości warstwy wymaga zwiększenia ich liczby w obiekcie, co z jednej strony poprawia do
kładność odwzorowania, zaś z drugiej wydłuża czas wydruku, gdyż jego wartość jest stała dla każ
dej warstwy przy zadanych parametrach przesuwu głowicy i zależy od jej powierzchni. Zatem obiekt o wysokości 2 mm pocięty na 20 warstw o wy
sokości 100 µm zostanie wydrukowany po cza
sie ok. 2krotnie dłuższym niż obiekt składający się z 10 warstw o wysokości 200 µm każda. Etapy powstawania obiektu przedstawiono na rycinie 1.
Spośród technik druku przestrzennego pierwszą metodą wdrożoną do stosowania była stereolitogra
fia. Rozwijano także inne techniki z zastosowaniem różnych materiałów budulcowych i metod ich na
kładania oraz spajania. Zestawienie najważniejszych technik druku przestrzennego przedstawiono na
Rycina 1. Etapy powstawania obiektów z zastosowaniem druku przestrzennego
trójwymiarowy model eksport do pliku .stl
(triangulacja powierzchni) plik STL
import pliku .stl przygotowanie do druku
(generowanie warstw i wypełnienia) wydrukowany obiekt
(metoda FDM, wysokość warstwy 200 μm)
wysokość warstwy
XaYa Za XbYb Zb XcYc Zc
A B
A B C
C
{
{
{
rycinie 2. Należy mieć na uwadze fakt, że produ
cenci drukarek ze względu na rozwiązania paten
towe stosują odmienne nazwy technik dla zbliżo
nych technologicznie rozwiązań.
Obecnie dostępnych jest kilka technik formowa
nia przyrostowego opierających się na różnych zja
wiskach fizycznych. W technikach druku opartych na wytłaczaniu materiałów przez dyszę stosowane
Rycina 2. Techniki druku przestrzennego [5]
Selec ve Laser Sintering (SLS) Proszek
Temperatura
Lampa projektora UV
Wiązka lasera
Polimery Metal Różne
Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Materiał
termowrażliwy
Osadzanie stopionego filamentu z materiału termoplastycznego i zestalenie po ochłodzeniu.
Fused Deposi on Modeling (FDM) Fused Filament Fabrica on (FFF)
Żywica
światłoutwardzalna
Światło
Lepiszcze Osadzanie warstw płynnego materiału rozpylonego z
głowicy piezoelektrycznej lub termicznej (BubbleJet®) i zestalenie po:
ochłodzeniu materiału
odparowaniu rozpuszczalnika
fotopolimeryzacji pod wpływem światła UV Drop on drop, Drop on demand (DoD) Mul Jet Modeling (MJM)
Polyjet prin ng (PJP)
Wytwarzanie warstw obiektu w wyniku fotopolimeryzacji płynnych żywic pod wpływem:
światła o wysokiej intensywności z lampy projektora- Digital Light Processing (DLP)
promienia lasera - Stereolitography (SLA, STL)
utwardzanie żywic z dodatkiem sproszkowanych materiałów ceramicznych - Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)
Ceramika
Wytwarzanie warstw obiektu w wyniku selektywnego stapiania proszków polimerowych lub sproszkowanych metali pod wpływem światła lasera.
Wytwarzanie warstw obiektu w wyniku agregacji proszków pod wpływem płynnych substancji zlepiających.
Drop on solid (DoS)
Tridimensional Inkjet Prin ng (3DP) Color Jet Printng (CJP)
Materiał budulcowy Technika druku Czynnik spajający/
utwardzający Materiał
plastyczny Osadzanie półstałego materiału wytłaczanego z ekstruderów strzykawkowych.
Roztwór, zawiesina
T E C H N O L O G I A P O S TA C I L E K U
są ekstrudery strzykawkowe i do ekstruzji topliwej (rycina 3). W przypadku ekstruderów strzykawko
wych półstały materiał o temperaturze pokojowej lub upłynniony w strzykawce pod wpływem ogrze
wania jest rozprowadzany warstwami na platfor
mie drukującej i ulega zestaleniu w wyniku zmian warunków fizykochemicznych, np. temperatury.
Natomiast w metodzie FDM, FFF stosowany jest ekstruder, w którym dochodzi do upłynnienia ter
moplastycznego filamentu o średnicy zazwyczaj 1,75 mm lub 3 mm, wytworzonego uprzednio na drodze ekstruzji topliwej. Stopiony materiał jest rozprowadzany na platformie i chłodzony [5].
Chłodzenie jest także istotnym czynnikiem w trakcie powstawania obiektów na drodze na
tryskiwania płynnego materiału (Material Jetting, MJ). Podgrzany materiał, często o właściwościach wosku, rozpylany jest przez dysze piezoelektrycz
ne lub termiczne na platformę drukującą i zestala
ny w wyniku zmian temperatury (rycina 4). Płynny materiał może być dozowany w sposób ciągły (con-tinuous inkjet printing, CIJ) lub przez wytworzenie pojedynczych kropelek i odpowiednie ich rozmiesz
czenie. Kropelki mogą same tworzyć drukowaną warstwę (DoD) lub służyć jako spoiwo dla stałego sproszkowanego materiału (DoS) [6].
Modyfikacją tej metody jest użycie żywic foto
polimerowych, które natychmiast po rozpyleniu są utwardzane światłem UV, którego źródło jest za
zwyczaj zintegrowane z głowicą drukującą.
Światło, jako czynnik sieciujący płynną żywicę światłoutwardzalną, znalazło także zastosowanie w technikach z użyciem cyfrowego przetwarzania światła (DLP) i stereolitografii (SLA). W przypadku techniki DLP źródło światła stanowi projektor, któ
ry wyświetla obraz całej warstwy i światłem o wy
sokiej energii polimeryzuje całą warstwę obiektu.
W przypadku techniki SLA warstwy wytwarzane są przy użyciu wiązki lasera, która „rysuje” obiekt na powierzchni polimeru, utwardzając żywicę. Po nałożeniu warstwy platforma z obiektem zanurza
na jest w zbiorniku z żywicą. Wiązka światła kie
rowana jest przez układ luster, a od jej energii za
leży grubość tworzonej warstwy [7]. Na rycinie 5 przedstawiono schemat techniki SLA. Możliwa jest także konstrukcja odwrócona, gdzie źródło światła znajduje się na dnie zbiornika, a platforma z obiek
tem jest unoszona. Rozwiązanie to umożliwia bar
dziej ekonomiczne wykorzystanie żywic polime
rowych.
Zamiast utwardzania płynnych żywic istnie
je możliwość stapiania/spiekania proszków świa
tłem lasera. W zależności od mocy lasera można spiekać proszki polimerowe (selektywne spieka
nie laserem, SLS) lub proszek metalu, np.: tyta
nu, aluminium, stal nierdzewnej, itp. (technika DMLS – bezpośrednie spiekanie metalu laserem).
W metodzie tej proszek z zasobnika jest rozpro
wadzany na platformie drukującej przy użyciu rol
ki lub ramienia. Wysokość warstwy odpowiada w przybliżeniu wymiarom wydrukowanej war
stwy. Następnie obiekt jest wytwarzany warstwo
wo poprzez działanie promieni lasera (rycina 6).
Korzystną cechą tej metody jest brak konieczno
ści stosowania podpór, gdyż obiekt jest zanurzony w proszku. Konieczne jest usunięcie niezwiązane
go w trakcie wydruku proszku [8].
Proszki mogą być także spajane przy użyciu płynnego lepiszcza. Technologia druku jest zbliżo
na do DMLS. Zamiast lustra skanującego i promien
nika laserowego stosuje się zespół dysz, jak w dru
karkach typu MJ. „Atrament” natryskiwany jest na warstwę proszku, która ulega związaniu (rycina 7).
Powyższa metoda opiera się na zjawiskach wystę
pujących podczas granulacji na mokro: dochodzi do łączenia cząstek poprzez częściowe rozpuszczanie i rekrystalizację [7]. Na jakość wydruku wpływa
ją właściwości proszku, takie jak: wielkość cząstek
Rycina 3. Techniki druku oparte na ekstruzji
Rycina 4. Technika druku MJ (DoD, MMJ, PJP)
rolka z filamentem
głowica drukująca stopionym filamentem (ekstruzja topliwa)
platforma
z drukowanym obiektem głowica drukująca wytłaczanym materiałem (ekstruder strzykwawkowy)
zasobniki
z płynnym materiałem budulcowym głowica drukująca
platforma z drukowanymi obiektami
i reaktywność ze spoiwem, a także zwilżalność i pe
netracja kropli lepiszcza do porów materiału. Pro
dukt zwykle wymaga suszenia w celu usunięcia resztek lotnych rozpuszczalników [6].