Wstęp do druku 3D z tworzyw sztucznych

Bartłomiej Łodziato
Ekspert współpracujący Z FPPP

Technologie druku 3D to innowacyjne oraz nowatorskie narzędzia produkcyjne, które coraz częściej wkraczają do polskich przedsiębiorstw oraz zakładów produkcyjnych. Ze względu na dynamiczny rozwój wspomnianej technologii, konieczne jest ciągłe dokształcanie oraz edukowanie. Dlatego też tematyka technologii druku 3D została włączona w zagadnienia Przemysłu 4.0.

Czym jest druk 3D?

To bardzo proste pytanie, na które niezwykle trudno znaleźć jednoznaczną odpowiedź. Najprościej rzecz ujmując, druk 3D jest terminem, określającym sposób wytwarzania fizycznych modeli 3D poprzez nanoszenie i łączenie kolejnych warstw materiału. W zakresie różnych odmian tej technologii, istnieją odmienne sposoby tworzenia warstw oraz łączenia ich w gotowy, trójwymiarowy model. Najistotniejszą cechą druku 3D jest fakt, że materiał konstrukcyjny jest dodawany, w odróżnieniu od tradycyjnych metod wytwórczych, w których materiał jest usuwany (obróbka ubytkowa) lub detal jest tworzony w całości (odlewanie, technologie wtrysku).

Pierwszą kwestią, którą należy wyjaśnić, jest pochodzenie terminu druku 3D. To potoczna nazwa, która przyjęła się dzięki szerokiemu zainteresowaniu mediów ze względu na ciągłe stosowanie. Zgodnie z terminologią, technologia druku 3D powinna być nazywana technologią przyrostową, addytywną lub generatywną. Wyszczególnione terminy dotyczą jednak tego samego zagadnienia i stosowane są zamiennie.

Skąd dokładnie pojawił się termin druk 3D?

Druk 3D jest młodą dziedziną, jeżeli chcielibyśmy go porównać z konwencjonalnymi technologiami wytwórczymi. Pierwsza technicznie realizowalna postać technologii druku 3D powstała w 1984 roku. Została ona opatentowana przez Charlesa Hulla, zwanego także ojcem druku 3D. Opracował on technologię stereolitografii SLA (ang. Stereolithography), którą następnie z powodzeniem skomercjalizował. Sukces i potencjał technologii okazały się tak wielkie, że stały się napędem powstawania nowych rozwiązań.

W krótkim czasie powstały takie metody jak: łączenie topionego materiału FDM (ang. Fused Deposition Modeling), spiekanie laserowe SLS (ang. Selective Laser Sintering), laminowanie warstw folii LOM (ang.Laminated Object Manufacturing). Powstała także technologia, za pomocą której było możliwe wytwarzanie modeli poprzez klejenie warstw proszku gipsowego. Klej był rozprowadzany przez głowicę o konstrukcji podobnej do rozwiązań stosowanych w drukarkach atramentowych. Technologię tę nazwano 3DP (ang. Three Dimensional Printing) – nazwa ta nawiązywała bezpośrednio do drukowania atramentowego. Termin druk 3D okazał się być medialny oraz łatwo przetłumaczalny dla każdego odbiorcy. W celu uzupełnienia należy dodać, iż obecnie technologia 3DP jest częściej nazywana CJP (ang. Color Jet Printing).

Podział technologii druku 3D ze względu na używane materiały

Od momentu powstania pierwszych technologii przyrostowej minęło już kilkadziesiąt lat. Obecnie istnieje szereg metod druku 3D, które diametralnie się od siebie różnią, a jedyną ich cechą wspólną jest wytwarzanie fizycznych modeli poprzez dodawanie materiału.

Technologię druku 3D można podzielić na kilka sposobów. Jednym z nich jest podział ze względu na stosowany materiał, stąd możemy wyróżnić druk 3D z metalu oraz z zastosowaniem tworzyw sztucznych.

Rys. 1. Odmiany technologii generatywnych

Wdrażając swoją firmę lub środowisko pracy w rozwiązania druku 3D, warto jest znać podstawowe cechy każdej z odmian technologii przyrostowej oraz jej możliwości aplikacyjne. Niestety, częste są przypadki nieprawidłowego doboru metody druku 3D, co może dać w efekcie więcej szkód niż korzyści. Warto  brać pod uwagę fakt, że istnieje więcej niż jedna metoda druku 3D.

Podstawową oraz najczęściej stosowaną technologią druku 3D jest FDM, zwana także czasami FFF (ang. Fused Filament Fabrication). Jej popularność jest spowodowana dwoma czynnikami:

• po pierwsze – jest to najtańsza odmiana technologii druku 3D, a koszt zakupu urządzenia dobrej jakości może rozpoczynać się już nawet od kilku tysięcy złotych,
• po drugie – przez prostotę swojego działania pozwala na szybką naukę oraz wdrożenie się w świat druku 3D.

Sposób tworzenia modeli w technologii FDM/FFF jest niezwykle prosty. Człon roboczy urządzenia, zwany ekstruderem, tłoczy materiał w postaci termoplastu w formie żyłki (zwanego filamentem, zawsze jest to tworzywo termoplastyczne) oraz selektywnie układa go na platformie roboczej.

Pojedyncza warstwa modelu powstaje poprzez aplikacje materiału ścieżka za ścieżką (płaszczyzna pozioma), aby następnie warstwa po warstwie (płaszczyzna pionowa) wykonać postać konstrukcyjną gotowego modelu fizycznego. Najczęściej stosowanymi materiałami są:

• PLA (polilaktyd),
• ABS (akrylonitrylo-butadieno-styrenowy),
• PC (poliwęglan)
• Nylon,
• HIPS,
• PVA (polialkohol winylowy),
• PET,
• TPU (poliuretan termoplastyczny),
• inne materiały specjalistyczne (np. antybakteryjne, antystatyczne, rozpuszczalne w wodzie, elastyczne, wysokotemperaturowe).

Poprzez niewielki rozmiar urządzenia, metoda FDM nazywana jest także często desktopową technologią druku 3D. Głównym zastosowaniem jest tworzenie prototypów oraz krótkich serii produkcyjnych. Wybór pola zastosowania wynika z długiego czasu drukowania pojedynczego modelu.

Kolejną desktopową technologią druku 3D jest UV LCD/DLP (ang. Digital Light Processing). To jedna z bardziej popularnych metod druku 3D, głównie ze względu na niski koszt zakupu urządzenia. Sposób wytwarzania modeli opiera się na selektywnym utwardzaniu światłoczułej żywicy za pomocą matrycy diod LED UV (technologia UV LCD) lub projektora (odmiana DLP).  Długość fali światła UV powinna wynosić poniżej 410 nm. Elementy po procesie druku wymagają jednak dodatkowego mycia w  specjalnych środkach chemicznych (w celu eliminacji resztek niespolimeryzowanej żywicy). Z powodu tej części procesu mogą się pojawić trudności z czystością stanowiska pracy.

W opisanym przypadku istnieje szereg stosowanych materiałów (każdy pod postacią światłoczułej żywicy):

• żywica standardowa (różne kolory),
• żywica transparentna,
• żywice przeznaczone do odlewania,
• różnego rodzaju żywice stomatologiczne i medyczne,
• żywice wysokotemperaturowe,
• żywice elastyczne.

Podstawowym zastosowaniem tej technologii są sytuacje, w których wymagany jest model o wysokiej dokładności geometrycznej oraz gładkości powierzchni.

Omówione technologie FDM oraz DLP zostały nazwane desktopowymi oraz stosowanymi w aplikacjach niskobudżetowych. Warto jednak zaznaczyć, iż w przypadku każdej z nich istnieją również maszyny wysokiej klasy, których koszt jest bardzo wysoki, co często stanowi barierę zaporową dla przeciętnego użytkownika.

Podobnie jak w przypadku UV LCD/DLP, sposób wytwarzania modeli technologią SLA opiera na naświetlaniu żywicy światłoczułej. Różnice odnoszą się jedynie do źródła światła UV, którym w technologii SLA jest laser UV. Pomimo zastosowania podobnych materiałów konstrukcyjnych (tj. żywic światłoczułych), uzyskane modele są lepszej jakości, zarówno pod względem geometrycznym, jak i wizualnym (szczególnie widoczna jest różnica ostrości krawędzi wytworzonych modeli). Zastosowanie technologii SLA jest bardzo szerokie, szczególnie w przypadkach, w których model musi być jak najwyższej jakości (powierzchni oraz geometrii). Podstawowe zastosowania technologii można zawrzeć w następujących przypadkach:

• modele koncepcyjne,
• odlewnictwo,
• stomatologia,
• modele medyczne,
• formy,
• matryce,
• modele transparentne,
• modele o wysokiej szczelności.

Lepsza jakość wytwarzanych modeli 3D odbija się  na cenie urządzenia. Rozważając zakup urządzenia drukującego w technologii SLA należy zarezerwować na ten cel minimum kilkanaście tysięcy złotych. Należy także pamiętać o kłopotliwym procesie postprodukcji, czasochłonnym usuwaniu struktur podporowych oraz o długim czasie procesu druku 3D.

Podobną metodą jest MJM/PolyJet (ang. Multi Jet Modeling). W tym przypadku materiałem modelowym jest fotopolimer (tj. światłoczuła żywica). Proces polega na selektywnym natryskiwaniu materiału na platformę roboczą całej warstwy, a następnie naświetlaniu powierzchni lampami UV. Różnica w procesie jest na tyle duża, że pozwala na nanoszenie  materiału podporowego, który może być następnie usunięty (ewentualnie wypłukany lub wytopiony). W tej metodzie nie występuje problem z mechanicznym usuwaniem struktur podporowych, dzięki czemu proces wytwarzania modeli jest prostszy. Technologia ta pozwala na wytwarzanie modeli o najbardziej skomplikowanej geometrii, przy zachowaniu idealnej jakości powierzchni oraz wymiarów geometrycznych. Głównym zastosowaniem technologii MJM/PolyJet są:

• prototypy,
• modele medyczne,
• modele precyzyjne,
• matryce,
• modele wzorcowe.

Koszt urządzenia jest jednak kilkukrotnie wyższy niż w przypadku metody SLA, dlatego tego urządzenia spotyka się jedynie w przemyśle.

Odmianą mającą specjalistyczne zastosowanie jest DoD (ang. Drop on Demand). Dzięki niej wytwarza się modele woskowe o wysokiej jakości powierzchni. Stosowane są dwa materiały: budulcowy (w postaci wosku) oraz podporowy. Jedynym wymaganym działaniem postprodukcyjnym jest wypłukanie materiału podporowego z modeli.

Technologia DoD stosowana głównie w jubilerstwie oraz protetyce. Można ją jednak z powodzeniem stosować także tam, gdzie konieczne jest wytwarzanie indywidualnych modeli woskowych na potrzeby odlewania metodą traconego modelu.

Technologia SLS (ang. Selective Laser Sintering) jako materiał budulcowy wykorzystuje proszek polimerowy (przeważnie na bazie Nylonu –  PA12). Materiał ten jest spiekany za pomocą wiązki lasera, a cały proces druku zachodzi w ściśle kontrolowanym środowisku (kontrola wartości temperatury i dozowania objętości gazu procesowego). Proces wytwarzania jest skomplikowany oraz czasochłonny.

W technologii SLS nieopłacalne jest wytwarzanie pojedynczych modeli, dlatego też w jednym procesie druku 3D wytwarza się kilkadziesiąt lub kilkaset modeli (w zależności od wymiarów). Sam proces druku trwa kilkanaście bądź kilkadziesiąt godzin. Modele wytworzone w tej metodzie charakteryzują się wysoką wytrzymałością, chropowatością powierzchni oraz dużą powtarzalnością geometryczną (wymiarową). Dodatkową zaletą jest brak konieczności zastosowania materiału podporowego, którego funkcję pełni niespieczony (nieuplastyczniony) materiał modelowy.

Niestety koszt zakupu urządzenia pracującego w tej technologii wynosi kilkaset tysięcy złotych, nierzadko sięgając nawet kilku milionów złotych. Dlatego urządzenia takie są  rzadko spotykane w Polsce w formie własnego systemu wytwórczego. O wiele częściej stosuje się zlecanie usług firmom zewnętrznym. Głównym zastosowaniem opisanej metody jest produkcja nisko- oraz średnioseryjna, ale także wytwarzanie modeli prototypowych oraz konstrukcyjnych maszyn i urządzeń, które wymagają jak największej wytrzymałości.

Bliźniaczym rozwiązaniem w stosunku do SLS jest metoda MJF (ang. Multi Jet Fusion). Różnica polega wyłącznie na sposobie uplastyczniania tworzywa sztucznego. W zakresie metody MJF stosuje się specjalną konstrukcję głowicy drukującej. Głowica selektywnie nanosi na powierzchnię proszku specjalny agent (tj. materiał zwiększający absorpcję światła) oraz naświetla całość powierzchni. Miejsca naniesienia agenta zostają uplastycznione i tworzą pojedynczą warstwę modelu. Koszt urządzenia MJF jest także bardzo wysoki i wynosi (dla całego systemu wraz z niezbędnymi akcesoriami) minimum milion złotych.

Obie technologie SLS oraz MJF, korzystają z podobnych materiałów w postaci proszku. Podstawowym materiałami są:

• PA12 (poliamid),
• PA11,
• TPU,
• PS,
• PP,
• PEEK.

---

Opisane w artykule technologie druku 3D są jednymi z najczęściej stosowanych w zakresie wytwarzania detali z tworzyw sztucznych. To jedynie  podstawowe informacje, z którymi każdy rozpoczynający pracę z drukiem 3D powinien się zapoznać. Najważniejsze jest uświadomienie sobie, że istnieje szereg różnych technologii druku 3D, ale nie istnieje uniwersalna metoda nadająca się do każdego zastosowania. Należy także pamiętać, iż druk 3D ma na celu uzupełniać konwencjonalne technologie, a nie zastępować je w łańcuchach produkcyjnych.

W celu uzyskania większej ilości informacji o każdej z omawianych technologii oraz materiałach stosowanych w druku 3D zapraszam do witryny internetowej Fundacji Platforma Przemysłu Przyszłości.