• Nie Znaleziono Wyników

Techniki druku przestrzennego

W dokumencie [2017/Nr 9] Nr 9/2017 (pełna wersja) (Stron 57-60)

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].

Zastosowanie druku przestrzennego

W dokumencie [2017/Nr 9] Nr 9/2017 (pełna wersja) (Stron 57-60)

Powiązane dokumenty