Technologia FDM – ROZDZIAŁ 2 – Jak działa drukarka 3D i na co zwracać uwagę przy jej zakupie…?

0

Rynek druku 3D jest od lat zdominowany przez jeden typ urządzeń – drukarki 3D drukujące z termoplastów (czyli „plastiku„) w technologii FDM. Dla znakomitej większości osób urządzenia te są w ogóle synonimem drukarki 3D, nie będąc świadomymi, że metod przyrostowych – i co za tym idzie rodzajów drukarek 3D jest bez porównania więcej. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że samych drukarek 3D typu FDM jest na rynku niezliczona ilość, co powoduje że początkujący użytkownicy czują się zagubieni i skonfudowani mnogością informacji, jakie muszą przyswoić przed podjęciem jakiejkolwiek decyzji zakupowej…

W niniejszym artykule opiszemy jak działa typowa drukarka 3D typu FDM, jak jest zbudowana oraz na co należy zwracać najważniejszą uwagę przy jej zakupie? Wszystkich, którzy chcieliby dowiedzieć się czym jest druk 3D z plastiku w ogóle zachęcamy do lektury wcześniejszego artykułu: „Technologia FDM – ROZDZIAŁ 1 – Co to jest i na czym polega…?

Klasy drukarek 3D typu FDM

Ceny drukarek 3D drukujących z termoplastów są bardzo zróżnicowane i wahają się w absurdalnie brzmiącym przedziale od ok. pięciuset – do kilkuset tysięcy złotych… Wynika to z faktu, że urządzenia te mają różne funkcjonalności, możliwości i przeznaczenie – jedne nadają się drukowania prostych, plastikowych gadżetów, inne do tworzenia finalnych elementów konstrukcyjnych montowanych w samolotach pasażerskich lub samochodach sportowych. Aby uprościć sobie sprawę możemy sklasyfikować drukarki 3D wg ich możliwości i przeznaczenia na poniższe kategorie:

  • amatorskie
  • desktopowe
  • profesjonalne
  • produkcyjne.

Amatorskie drukarki 3D

  • przeznaczenie: dom, szkoła, uczelnia, mały biznes
  • typowy użytkownik: hobbysta-amator, uczeń, student, przedsiębiorca prowadzący mały biznes o wyjątkowo skromnym budżecie
  • materiały z których drukuje: PLA oraz ABS (o ile pozwala na to wyposażenie?)
  • zakres cenowy: 500,00 – 5000,00 PLN

Najtańsze i „najbardziej liberalne” pod względem jakości druku 3D drukarki 3D na rynku. Występują w wersjach do samodzielnego montażu (DIY) lub w wersji złożonej (desktop). Drukarki 3D w wersji DIY można kupić na chińskich platformach sprzedażowych już za kwoty na poziomie kilkuset złotych (nawet za 450!). Niestety jakość wykonania poszczególnych komponentów nie stoi na zbyt wysokim poziomie, co przekłada się później na jakość pracy urządzenia. Jeśli chodzi o desktopowe drukarki 3D, to jakość ich wykonania jest wyższa, jednakże producent często odbija sobie niską marżę na ich produkcji koniecznością stosowania oryginalnych filamentów, które są dużo droższe od potencjalnych zamienników.

Tronxy X1 – drukarka 3D za 450 PLN. Drukuje z dowolnego materiału – pod warunkiem, że jest to PLA. Jakość wydruków jest dyskusyjna…

XYZPrinting da Vinci miniMaker – świetna desktopowa drukarka 3D za mniej niż 1000 PLN. Niestety musimy stosować wyłącznie oryginalne filamenty… Drukujemy tylko z PLA.

Koniec końców użytkownicy tego typu drukarek 3D muszą albo pogodzić się z relatywnie niską jakością wydruków, albo poświęcić wiele godzin na przeróbki, usprawnienia i konfiguracje urządzenia aby zaczęło drukować na wyższym poziomie.

ZOBACZ: Tronxy X1 – test super taniej drukarki 3D

ZOBACZ: da Vinci miniMaker – unboxing i pierwsze wrażenia

Desktopowe drukarki 3D

  • przeznaczenie: szkoła, uczelnia, dowolny biznes
  • typowy użytkownik: uczeń, student, dowolny przedsiębiorca
  • materiały z których drukuje: PLA, ABS, PETG, HIPS, nylon i inne inżynieryjne
  • zakres cenowy: 5000,00 – 35.000,00 PLN

Urządzenia przeznaczone do użytku profesjonalnego, mogące z powodzeniem być wykorzystywane także w edukacji. Z uwagi na wyższy poziom cenowy rzadko kupowane do domu. Są zawsze złożone i od razu gotowe do pracy. Posiadają albo własne, autorskie oprogramowanie (tzw. slicer), albo gotowe, spersonalizowane profile druku 3D dla innych programów (np. CURA, Slic3r lub Simplify3D). Ich główną przewagą nad urządzeniami amatorskimi jest bardziej zautomatyzowany proces druku 3D i ograniczenie konieczności udziału użytkownika w ustawieniach szczegółowych parametrów wydruku.

Jakość wydruków powinna być wyższa niż w przypadku urządzeń amatorskich, ale koniec końców wszystko zależy od tego na jaki model drukarki 3D trafimy i z jakich materiałów będziemy drukować? Innymi słowy – desktopowa drukarka 3D może drukować gorzej niż dopracowana przez użytkownika amatorska drukarka 3D.

ZOBACZ: testy desktopowych drukarek 3D na portalu 3D w praktyce

Profesjonalne drukarki 3D

  • przeznaczenie: uczelnia, duży biznes – sektor przemysłowy / wytwórczy
  • typowy użytkownik: pracownik naukowy, inżynier w firmie przemysłowej / wytwórczej
  • materiały z których drukuje: te same co desktop + materiały wysokotemperaturowe (np. PEEK)
  • zakres cenowy: 50.000,00 PLN – wzwyż

Jak sama nazwa wskazuje są to urządzenia przeznaczone do użytku stricte profesjonalnego, wykorzystywane głównie przez przemysł (choć mogą być również na wyposażeniu uczelni wyższych). Ich głównymi cechami są m.in. zamknięte i zwykle podgrzewane komory robocze, dwie głowice drukujące, możliwość pracy z wysokotemperaturowymi materiałami inżynieryjnymi oraz przystosowanie do pracy po min. kilkadziesiąt godzin non-stop.

Wbrew pozorom, wizualna jakość wydruków pochodzących z tego typu drukarek 3D nie musi być lepsza od tych pochodzących z urządzeń amatorskich czy desktopowych. To co jest najważniejsze to jak najlepsze odwzorowanie zadanej geometrii, ograniczenie skurczów i pęknięć materiału oraz możliwość pracy z bardzo wymagającymi tworzywami sztucznymi.

Produkcyjne drukarki 3D

  • przeznaczenie: duży biznes – sektor przemysłowy / wytwórczy
  • typowy użytkownik: inżynier w firmie przemysłowej / wytwórczej
  • materiały z których drukuje: te same co desktop + materiały wysokotemperaturowe (np. PEEK i ULTEM)
  • zakres cenowy: 150.000,00 PLN – wzwyż

Maszyny tego typu na pierwszy rzut oka nie różnią się niczym od tzw. „profesjonalnych drukarek 3D„, są jednak zoptymalizowane pod kątem pracy w przemyśle ciężkim, posiadając wszystkie niezbędne certyfikaty i spełniając wyśrubowane normy. Są np. dopuszczone do produkcji finalnych elementów dla sektora lotniczego, wojskowego czy kosmicznego.

To najwyższa kategoria drukarek 3D – bez względu na technologię w jakiej pracują.

ZOBACZ: Praca z przemysłową drukarką 3D Stratasys F370

Jak zbudowana jest amatorska / desktopowa drukarka 3D typu FDM?

Im droższa drukarka 3D, tym bardziej złożona jest jej konstrukcja – my jednak skupimy się na absolutnych podstawach, czyli elementach, które są w każdym urządzeniu tego typu niezbędne. Kluczowe w każdej drukarce 3D typu FDM są:

  • obudowa / rama – czyli konstrukcja, na jakiej powinna zostać oparta drukarka 3D; może ona być otwarta lub zamknięta (skrzynkowa) – ważne żeby była jak najbardziej sztywna i stabilna; rama drukarki 3D to fundament, na którym oparta jest przyszła jakość wydruku 3D
  • uchwyt / ramię na filament – czyli miejsce, na którym będziemy zawieszać szpulę z materiałem eksploatacyjnym; uchwyt może znajdować się różnych miejscach drukarki 3D – ważne żeby filament zakładało się w sposób szybki i łatwy; UWAGA! może się zdarzyć, że dany model nie posiada uchwytu na filament – w takim przypadku będzie trzeba go sobie albo dokupić, albo wydrukować
  • ekstruder – mechanizm zaciągający filament ze szpuli do głowicy drukującej; ekstruder został szczegółowo opisany w Rozdziale 1; ekstrudery (i głowice drukujące) pracują z dwoma średnicami filamentów – 1,75 mm lub 2,85 mm; jedna średnica wyklucza drugą
  • głowica drukująca – miejsce gdzie filament jest przekształcany do stanu półpłynnego i wytłaczany (ekstrudowany) na stół roboczy; niektóre drukarki 3D pozwalają na druk 3D z dwóch lub więcej głowic drukujących
  • stół roboczy – miejsce na które nakładany jest plastik i budowany jest model przestrzenny; stoły robocze są najczęściej wykonane ze szkła, blachy lub tworzywa sztucznego; aby drukować z innych materiałów niż PLA, stół roboczy musi być podgrzewany.

Jak działa drukarka 3D typu FDM?

W poprzednim artykule opisałem szczegółowo na czym polega proces druku 3D w technologii FDM, co pokrywa się w dużej mierze z opisem działania samej drukarki 3D tego typu. Teraz chciałbym skupić się bardziej na tym jak wyglądają kolejne kroki pracy z urządzeniem.

Aby wydrukować jakąkolwiek rzecz na drukarce 3D potrzebujemy najpierw modelu 3D stworzonego na dowolnym programie do tworzenia grafiki trójwymiarowej. Model musi zostać następnie otwarty na oprogramowaniu drukarki 3D (jest dostarczane razem z urządzeniem), gdzie ustawiamy parametry wydruku 3D (więcej na ten temat opiszę w jednym z kolejnych rozdziałów). Jednym z najważniejszych parametrów wyboru jest materiał, z którego będziemy drukować (PLA, ABS lub inny). W kolejnym kroku model jest cięty na warstwy i zapisywany jako plik z rozszerzeniem .GCODE (niektóre drukarki 3D dokonują zapisu w innych, własnych formatach jak np. .ZCODE lub .PCODE).

Fragment .GCODE otwarty jako plik tekstowy.

.GCODE to w dużym uproszczeniu plik z instrukcjami dla drukarki 3D jak ma poruszać głowicą drukującą po stole. Drukarka 3D nie wie co drukuje – wykonuje wyłącznie instrukcje z pliku. Plik zapisujemy na nośniku – karcie SD lub pendrive, bądź przesyłamy go do drukarki 3D przez kabel USB lub WiFi (o ile posiada taką opcję?).

Na ramieniu drukarki 3D zawieszamy filament, który wprowadzamy do głowicy drukującej. Głowica musi być zawsze rozgrzana – inaczej nie załadujemy, ani nie wyjmiemy filamentu. WAŻNE! Nie licząc wybranych modeli drukarek 3D, to my odpowiadamy za zgodność założonego filamentu z tym z jakiego będziemy drukować. Jeżeli w oprogramowaniu ustawiliśmy PLA, a na drukarce 3D mamy założony ABS drukarka 3D będzie próbowała właśnie z niego drukować. Jako że PLA ma niższą temperaturę druku 3D niż ABS – wydruk nie wyjdzie. Filament po prostu zablokuje się w niedogrzanej głowicy.

Gdy mamy już plik GCODE w drukarce 3D (bądź przesłany przez USB lub WiFi, lub na włożonej karcie SD lub pendrive) i założyliśmy właściwy filament, możemy rozpocząć wydruk 3D. Z menu drukarki 3D wybieramy plik i go uruchamiamy. Głowica drukarki 3D i stół roboczy są ustawiane do pozycji startowej (np. lewy górny róg stołu) po czym są rozgrzewane do zadanych temperatur (jeżeli stół roboczy nie jest podgrzewany, rozgrzewa się tylko głowica).

Gdy głowica i stół osiągną temperaturę wymaganą do druku 3D danego materiału (np. 200°C dla głowicy i 60°C dla stołu roboczego przy PLA, lub 240°C dla głowicy i 100°C dla stołu roboczego) rozpoczyna się drukowanie. Głowica kierowana jest do pierwszego punktu modelu na stole wg współrzędnych XY i jest zawieszana na wysokość warstwy modelu nad stołem (np. 0,2 mm). Następnie wytłacza z głowicy filament, który powinien przyczepić się / przykleić do powierzchni stołu.

Gdy pierwsza warstwa modelu zostanie wydrukowana, w zależności od kinematyki drukarki 3D głowica albo podnosi się o zadaną warstwę, albo opuszczany jest o taką wartość stół roboczy.

Kinematyka drukarki 3D typu FDM

Kinematyka drukarki 3D to sposób w jaki poruszają się głowica drukująca i stół roboczy względem siebie podczas procesu druku 3D. Wśród najczęściej występujących kinematyk możemy spotkać:

  • układ kartezjański – głowica porusza się w osiach XZ, a stół w osi Y
  • układ H, Core XY, Ultimaker – głowica porusza się w osiach XY, a stół w osi Z
  • układ delta – głowica porusza się w osiach XYZ będąc zawieszoną na trzech ramionach, a stół pozostaje nieruchomo na dole urządzenia.

Każda z kinematyk ma swoje zalety i wady, lecz koniec końców wszystko sprowadza się to tego jakich komponentów konstrukcyjnych użył producent danej drukarki 3D oraz czy np. dopasował kinematykę drukarki 3D do jej obszaru roboczego.

Gdy wszystkie warstwy modelu zostały naniesione przez głowicę drukującą, głowica jest parkowana w zadanym miejscu (np. tym samym lewym górnym rogu co przed rozpoczęciem pracy, ale na wysokości wydrukowanego modelu) i automatycznie wystudzana (tzn. przestaje być po prostu podgrzewana, więc studzi się w naturalny sposób). Wydruk można zdjąć ze stołu dopiero gdy ten się nieco ochłodzi (na pewno poniżej temperatury 50°C – wydruki z PLA mogą odkształcić się przy wyższej temperaturze). Jeśli drukarka 3D nie ma grzanego stołu roboczego – wydruk można zdjąć natychmiast.

Informacje końcowe:

  • dobre desktopowe drukarki 3D produkcji renomowanych firm mogą bezproblemowo drukować po kilka dni non stop jeden wydruk 3D; tym samym nie musimy się martwić tym, że po zakończonej pracy urządzenie „pozostanie włączona na noc
  • jeżeli drukarka 3D nie ma czujnika filamentu (a znakomita większość nie ma…) to jeśli się on skończy, bądź zablokuje na szpuli lub w głowicy, urządzenie będzie kontynuowało pracę (czyli będzie „drukowało w powietrzu„); drukarka 3D nie wie co drukuje – nie wie również, że nie ma czym…
  • zużycie prądu w desktopowej drukarce 3D jest porównywalne do generowanego przez większość urządzeń biurowych; zaczyna być to odczuwalne dopiero gdy korzystamy z kilkunastu – kilkudziesięciu drukarek 3D równocześnie; wciąż będzie to jednak dużo tańsze od „kopania Bitconów„…

Na co zwracać uwagę przy zakupie drukarki 3D?

Kupując desktopową drukarkę 3D typu FDM należy odpowiedzieć sobie na 10 podstawowych pytań:

1. Czy złożę drukarkę 3D do samodzielnego montażu?

Czy zdaję sobie sprawę co kupuję? Czy poradzę sobie z jej montażem? Jeśli nie, czy będę wiedział gdzie szukać pomocy? Czy jestem gotowy na to, że po złożeniu drukarki 3D spędzę kilka kolejnych dni / tygodni na dopracowywaniu jej ustawień? Czy będę w stanie pogodzić się z odkryciem, że moja tania drukarka 3D nigdy nie będzie drukować tak dobrze jak dużo droższe, desktopowe odpowiedniki?

2. Czy kupując tanią drukarkę 3D z Chin wiem, że nie dostanę faktury VAT?

Kupując drukarkę 3D na platformach w rodzaju AliExpress lub GearBest, na chwilę obecną nie otrzyma się faktury VAT na firmę (jedynie dowód zakupu, nie będący dokumentem księgowym). O ile w przypadku użytkowników indywidualnych nie powinno to stanowić problemu, o tyle w przypadku firm (szczególnie spółek działających w oparciu o pełną księgowość) już tak.

3. Czy moja drukarka 3D będzie miała podgrzewany stół roboczy?

Jeśli kupimy drukarkę 3D bez podgrzewanego stołu roboczego będziemy ograniczeni praktycznie wyłącznie do materiału PLA. Zapominamy o ABS…

4. Czy faktycznie potrzebuję drukować z innych materiałów niż PLA?

No właśnie…?

5. Czy faktycznie potrzebuję drukarki 3D z dużym obszarem roboczym na poziomie 30 x 30 x 30 cm lub większym?

Jeśli tak, to co wiem na temat kwestii skurczu materiałów termoplastycznych występującym podczas procesu druku 3D w technologii FDM? Jak będę sobie z tym radził? Jeśli moja drukarka 3D nie będzie posiadała automatycznego systemu kalibracji głowicy względem stołu roboczego – czy poradzę sobie z kalibracją tak dużego stołu?

6. Czy moja drukarka 3D będzie posiadała system automatycznej kalibracji?

Czy mam zamiar raz na jakiś czas powtarzać ręczną kalibrację?

7. Czy będę mógł stosować filamenty dowolnego producenta, czy tylko firmowe?

Czy drukarka 3D pozwala na korzystanie z dowolnego filamentu jaki jest dostępny na rynku? Czy filamenty nie są przypadkiem chipowane i kosztują dwa- trzy razy więcej od materiałów oferowanych na rynku? Czy stosowanie zamienników jest faktycznie tak proste jak opisuje to producent, czy koniec końców wydruki 3D wychodzą dobrze wyłącznie gdy stosuje się oryginalne materiały (opinie na grupach dyskusyjnych i forach pomogą znaleźć odpowiedź na to pytanie)?

8. Z czego wykonana jest rama mojej drukarki 3D?

Czy ten czarny materiał to stal, czy może pleksi lub malowane na czarno drewno?

9. Czy moja drukarka 3D będzie korzystać z filamentu 1,75 mm czy 2,85 mm?

Niestety w grę wchodzi tylko albo jedna albo druga średnica…

10. Czy mam przygotowane oddzielne pomieszczenie dla drukarki 3D, czy będę adaptował się do życia z odgłosami jej pracy i oparami jakie wydziela?

Niektóre drukarki 3D są bardzo ciche, inne bardzo głośne (zależy od konstrukcji oraz zastosowanych komponentów przez producenta). Niestety nawet najcichsza drukarka 3D nie pozwala spać przez pierwszych kilka nocy – musimy przywyknąć do charakterystycznych odgłosów jakie wydaje (chociażby szumu wentylatorów chłodzących drukowany wydruk, czy elektronikę sterującą). Podobnie sprawa przedstawia się z oparami topionego plastiku – w przypadku PLA nie powinno to być aż tak problematyczne (przynajmniej jeśli wietrzymy pomieszczenie, w którym pracuje drukarka 3D), w przypadku ABS i innych materiałów eksploatacyjnych będzie to już mocno uciążliwe.

Mimo wszystko najlepszym rozwiązaniem jest gdy drukarka 3D ma swoje dedykowane (nawet najmniejsze) pomieszczenie.

W kolejnym rozdziale przyjrzymy się dokładniej procesowi przejścia od modelu 3D, poprzez oprogramowanie drukarki 3D, do etapu generowania pliku .GCODE.

Udostępnij.

O autorze

Paweł Ślusarczyk

Prezes zarządu CD3D Sp. z o.o. oraz Business Development Manager. Posiada ponad 12-letnie doświadczenie w biznesie, zdobyte w branży IT, reklamowej i poligraficznej. Od stycznia 2013 roku związany z drukiem 3D.