Pytanie 0: jaką technologię druku 3D wybrać?

Tym razem poruszymy temat wyboru odpowiedniej technologii wytwarzania przyrostowego do przygotowywania prototypów elementów produkowanych z tworzyw sztucznych. Skupimy się na spiekaniu proszku poliamidowego (SLS), nakładaniu tworzyw termoplastcznych (FDM) i drukowaniu z żywic (Polyjet, MJP).

Ponieważ temat jest bardzo szeroki, mamy do dyspozycji wiele maszyn dla każdej z technologii, skoncentrujemy się na walorach użytkowych wydruków. Podpowiemy na jakie pytania należy sobie odpowiedzieć stojąc przed wyborem technologii druku lub maszyny.

Po co te wszystkie technologie – nie wystarczy RepRap?

W 1986 roku Charles Hull (3D Systems) wydrukował pierwszy element w technologii SLA. Być może, gdy zobaczył to Scott Crump (Statasys), pomyślał: „fajny ten wydruk, ale zamiast jakiejś żywicy, wolałbym materiał, z którego produkuje się przedmioty użytkowe” i wymyślił FDM. W 1989 roku można było się cieszyć pierwszymi prototypami z tworzywa sztucznego, dokładnie takiego jakie wtłacza się do formy wtryskowej.

Panowie z Objet pewnie stwierdzili: „fajne te twoje wydruki Scott, ale jakieś takie chropowate i ta nitka długo się układa… A w tych twoich Charles, to trzeba te podpórki usuwać, a ta żywica to do żadnego tworzywa nie podobna… A w ogóle to chcemy elastyczne wydruki!”. W 1998 powstała firma Objet wchłonięta później przez Stratasys. W podobnym czasie, w połowie lat 80, Carl Deckard mógł pomyśleć sobie: „fajne to ich drukowanie, ale nie nadaje się do wytwarzania przedmiotów z metalu”. I wymyślił technologię SLS, nadającą się również do spiekania polimerów.

Czy było tak, czy inaczej, potrzeba jest matką wynalazku, a teraz te wynalazki możemy stosować do naszych potrzeb, tylko trzeba je sprecyzować.

Określenie wymagań

Zanim wybierzemy rodzaj drukarki 3D czy technologię w jakiej chcemy drukować, trzeba zdefiniować wymagania jakie ma spełniać wydrukowany prototyp z uwzględnieniem aktualnych możliwości technologii druku 3D. Czasem będzie wymagało to pójścia na kompromisy.

Kilka pytań na jakie trzeba sobie odpowiedzieć:

• czy właściwości mechaniczne materiału muszą być zbliżone do materiału produktu końcowego?
• czy materiał, z którego będziemy drukować ma być identyczny z materiałem produktu?
• czy materiał ma być elastyczny?
• czy powierzchnia ma być bardzo gładka?
• jak duże są elementy drukowane i czy dopuszczamy drukowanie w kawałkach?
• jaki mamy budżet?
• czy wydruk ma odwzorować najdrobniejsze detale?

Ale najważniejszym pytaniem jest: do czego ma posłużyć wydruk? Jeśli będziemy chcieli sprawdzić ergonomię, wykonać model poglądowy, to zapewne wybierzemy najtańszą możliwość. Jeżeli wydruk ma być modelem matką do wykonania formy silikonowej lub wykonania kilkudziesięciu elementów metodą wtrysku, to pozostają tylko żywice. Często też sama geometria modelu determinuje dobór technologii, bo np. ścianki są bardzo cienkie lub mamy jakieś drobne napisy, które koniecznie muszą być wydrukowane, albo potrzebujemy prototyp o określonych właściwościach fizycznych.

Geometryczne cechy wydruku

Zacznijmy od możliwych do uzyskania parametrów geometrycznych. Wielkość modelu jaki możemy uzyskać zależy od dostępnego urządzenia, przy czym nie zawsze konieczne jest drukowanie modelu w całości. Często dzielenie modelu i późniejsze klejenie wydrukowanych części jest ekonomicznie uzasadnione. Nie będę tu podawał wielkości modeli jakie można drukować w każdej z technologii ponieważ dla każdej z nich jest dostępnych wiele maszyn.

Istotniejsza jest dokładność odwzorowania naszego projektu, często utożsamiana z grubością nakładanej warstwy, co nie do końca jest poprawne. Takie porównywanie wydruków, trochę przypomina porównywanie samochodów przez patrzenie tylko na maksymalną wartość pokazaną na prędkościomierzu. Patrząc na liczby czasem trudno sobie wyobrazić różnicę, lepiej zobaczyć to na wykresie. Poniższy wykres ilustruje różnice pomiędzy grubościami warstw możliwych do uzyskania w różnych technologiach, chodzi o zobrazowanie jaka jest różnica pomiędzy 16 mikrometrami, a np. 0,18 mm.

Grubość nakładanej warstwy określa nam tolerancję wymiaru wysokości wydruku, ale nic nie mówi o tym jak cienkie pionowe ścianki można wykonać w danej technologii. W przypadku FDM będzie to zależeć po części od średnicy dyszy. Przykładowo w maszynach Stratasys możemy mieć dysze o średnicach 0,25 mm 0,3 mm i 0,4 mm Niektóre maszyny pozwalają na przekładanie dysz i uzyskiwanie cieńszych ścieżek wytłaczanego materiału.

W przypadku technologii Multi Jet Printing (3D Systems) i PolyJet (Stratasys), nie mamy ścieżki materiału. Żywica jest nakładana przez głowice podobne do tych w drukarkach atramentowych. Producenci podają rozdzielczość w osiach XY, przykładowo: 750 dpi – 3D Systems i 600 dpi Stratasys.

W przypadku selektywnego spiekania laserem, wyznacznikiem jest plamka lasera. Nie wnikając w rozwiązania konstrukcyjne, najłatwiej zestawić możliwości wydruku w technologiach przez porównanie minimalnych grubości pionowych ścianek jakie można uzyskać daną metodą. W technologii SLS będzie to przeważnie 0,8 mm, w FDM w zależności od średnicy dyszy i grubości warstwy: 0,4 do 0,9 mm, w MJP ścianki mogą mieć 0,2 mm.

Od grubości warstwy zależy natomiast gładkość powierzchni bocznych, a w szczególności pochyłych (zbliżonych do poziomu). Żeby zmniejszyć widoczne „schodki” na pochyłych powierzchniach, trzeba użyć cieńszej warstwy. Zilustrowane to zostało na poniższych schematach. Jest to powiększenie pionowego przekroju części o wysokości 5 mm, której jedna z powierzchni jest wycinkiem walca, jej zarys oznaczony jest czerwonym łukiem. Niebieskim kolorem oznaczone są warstwy. Widać, że cieńsza warstwa lepiej odwzorowuje kształt przedmiotu. To trochę jak z rozdzielczością monitora.

To jak będzie wyglądała górna i dolna powierzchnia, zależy natomiast od wybranej technologii. W przypadku FDM, będą widoczne nitki układane obok siebie. W przypadku SLS, powierzchnie boczne, dolna i górna są bardzo podobne i czasem trudno określić w jakiej orientacji detal był drukowany. Podobnie w przypadku wydruków z żywic, przy czym tu mamy mniejszą chropowatość.

Właściwości fizyczne materiałów

Wiemy już, które technologie pozwolą wydrukować nasz model ze wszystkimi jego szczegółami, to teraz musimy zdecydować się jakie właściwości mechaniczne powinien mieć materiał. Jeśli ważny jest tylko efekt wizualny, to materiał ma mniejsze znaczenie, raczej będzie nas interesować wygląd powierzchni i czy wszystkie szczegóły się wydrukują (patrz wcześniejszy akapit). W przypadku prototypów funkcjonalnych, czy wręcz elementów finalnych ważne będzie określenie parametrów wytrzymałościowych, określenie odporności na temperaturę, niepalności, rozpraszania ładunków elektrostatycznych, biokompatybilności, itp.

Największy wybór materiałów o różnych właściwościach fizycznych oferują maszyny wykorzystujące fotopolimery. W maszynach Objet są tzw. materiały cyfrowe, mieszając je uzyskuje się różne właściwości fizyczne. Można symulować tworzywa sztuczne o różnej wytrzymałości oraz gumy o różnej twardości. Dodatkowo można na nich drukować w pełnym kolorze. Natomiast technologie FDM i SLS pozwalają wykonywać prototypy z materiałów używanych bezpośrednio w produkcji masowej, co może być bardziej przydatne przy prototypach użytkowych lub wręcz przy wydrukach, które są finalnym produktem. Poniżej zestawienie niektórych właściwości kilku wybranych materiałów.

Szybkość procesu

Przy wyborze technologii druku 3D to jest raczej ostanie kryterium jakim należy się kierować – zapewne ważniejsze są wcześniej opisane właściwości wydruków (geometryczne i wytrzymałościowe). Specjalnie użyłem słowa „proces” a nie „drukarka 3D”, a to dlatego, że zakończenie drukowania przez urządzenie nie oznacza, że wydruk jest już gotowy do testów.

Można się spotkać z opiniami, że maszyny FDM są powolne, że wydruki szybciej powstają w innych technologiach, prawda może być jednak inna. Model z urządzenia FDM, nie wymaga dużo dodatkowej pracy – można go wyjąć z drukarki praktycznie po zakończeniu druku 3D. Jeśli podpory są rozpuszczalne, to wystarczy model włożyć do myjki na kilkadziesiąt minut. SLS natomiast powinien być wystudzony przed otwarciem, później musimy usunąć proszek. Oprócz drukarki mamy urządzenie do mieszania proszku i czyszczenia wydruków. Wydruki z maszyn Objet trzeba oczyścić ręcznie z podpór. Więc szybkość drukarki nie jest gwarancją szybkiego wykonania prototypu.

Każdy klient chce aby jego produkt był wykonany: szybko, dobrze i oczywiście tanio. Jak wszędzie, tak i w drukowaniu 3D często sprawdza się reguła, że z trzech powyższych można połączyć jednocześnie dwie możliwości.

Jak coś ma być wykonane szybko i dobrze – to nie będzie to tanie.