Technologie i wydarzenia
Artykuł
Mateusz Brzostek, Poniedziałek, 7 lipca 2014, 09:59

Jak działa typowa drukarka 3D?

Nie da się powiedzieć – nie ma czegoś takiego jak typowa drukarka 3D. Do produkcji addytywnej można zastosować bardzo wiele technik, każdą w cyfrowej maszynie nazywanej drukarką.

Stereolitografia (SLA)

Pierwszą wynalezioną metodą było budowanie przedmiotu ze światłoutwardzalnej żywicy – stereolitografia. Sterowany promień lasera miejscowo utwardza światłoczuły materiał; potem przedmiot zanurza się lekko w płynnej żywicy, a laser utwardza następną warstwę materiału. Z czasem powstało więcej odmian tej metody: w niektórych żywicę naświetla się miejscowo, skupioną wiązką światła, w innych naświetla się projektorem od razu całą warstwę, w jeszcze innych światłoczułą żywicę można nakładać miejscowo, po kropelce. Stereolitografia jest dziś najbardziej precyzyjną metodą druku 3D. Modele są bardzo gładkie, odwzorowują najdrobniejsze szczegóły i mogą zawierać kształty nieosiągalne innymi metodami (np. nawisy/mosty). Stereolitografia jest stosowana głównie w drogich, przemysłowych drukarkach. Przedmioty wykonane tą metodą są średnio wytrzymałe mechanicznie. Główną przeszkodą w upowszechnieniu się tych drukarek jest konieczność kontrolowania otoczenia (stała temperatura, zasłonięta komora robocza), wysoka cena światłoutwardzalnych materiałów i ich mała wytrzymałość.

Selektywne spiekanie i topienie laserem (SLS, SLM)

To bardzo obiecujące techniki, bo jako jedyne pozwalają produkować bardzo wytrzymałe metalowe przedmioty. Drukarki SLS/SLM zaczynają od równomiernego rozsypania w komorze roboczej bardzo cienkiej warstwy proszku. Następnie promień lasera miejscowo spieka lub stapia drobiny proszku, rysując obraz pierwszej warstwy. Potem nasypuje się następną porcję proszku i spieka drugą warstwę. W ten sposób można otrzymać przedmioty nieustępujące znacząco wytrzymałością odlewom. Tak wydrukowano na przykład komory spalania silników rakietowych Super Draco. Są też maszyny, które dostarczają metalowy proszek miejscowo, wydmuchując go w strumieniu powietrza tylko w wybrany obszar – te nie muszą zaczynać od zera, ale mogą „dodrukować” trochę materiału do istniejącego przedmiotu, co umożliwia naprawę specjalistycznych części. Selektywne spiekanie jest bardzo przydatne nie tylko w prototypowaniu: w przypadku skomplikowanych części jest tańsze od frezowania lub odlewania nawet w produkcji o dużej skali.

Selektywne sklejanie

To metoda podobna do selektywnego spiekania, ale materiały i sposób ich związania są inne. Najczęściej używa się proszku gipsowego, nad którym przesuwa się głowica wypuszczająca klejący tusz. Taka maszyna ma wiele wspólnego z drukarką atramentową do papieru. Dzięki mieszaniu kolorów spoiwa można wydrukować pełnokolorowy przedmiot, który nie wymaga po skończeniu żadnej obróbki. Takie wydruki mają niewielką wytrzymałość i nadają się głównie na makiety. Z tego powodu są używane głównie w branży architektonicznej. Nasypywanie proszku i usuwanie jego nadmiaru powodują, że urządzenie jest na ogół znacznie większe niż jego przestrzeń robocza.

Laminacja

Tej metody nie można nazwać produkcją całkowicie addytywną, bo wymaga również usuwania materiału. Polega na wycinaniu kolejnych warstw wydruku z papieru, a następnie sklejaniu papierowych kształtów. Laminacja pozwala uzyskać bardzo duże przedmioty. Również bywa używana w architekturze do produkcji makiet. Jej zaletą jest bardzo niski koszt materiału; niestety, wytwarza też dużo odpadu, a wydruki są mało wytrzymałe.

Fused Filament Fabrication (FFF/FDM)

I wreszcie najpopularniejsza technika, ta która podbiła rynek hobbystyczny i małych przedsiębiorstw. Polega na topieniu tworzywa sztucznego i układaniu go w cienkich ścieżkach, jedna przy drugiej. Warstwy plastiku spajają się, stygnąc.

1 – głowica drukująca, 2 – warstwy układanego materiału, 3 – stół roboczy

Termoplastiki, czyli tworzywa sztuczne, które można formować na gorąco, są stosunkowo tanie i dostępne na całym świecie. W konstrukcji maszyna FFF jest prostsza od innych typów i wymaga niewielu kosztownych części: nie ma laserów ani projektora, tylko popularne silniki krokowe i trochę elementów mechanicznych. Przedmioty wykonane tym sposobem są lekkie i wytrzymałe, a tworzywa, którymi się drukuje, są powszechnie używane w prawie każdym gospodarstwie domowym. To sprawiło, że drukarki RepRap wykorzystujące tę technikę stały się bardzo popularne, są tanie i łatwo dostępne. W przeciwieństwie do innych metod FFF jest w niewielkim stopniu obciążona patentami, które utrudniałyby szybki postęp techniczny. Najważniejsze wciąż opatentowane rozwiązania w tej dziedzinie (np. podgrzewana komora robocza) i tak nie stałyby się popularne ze względu na duży koszt i skomplikowanie produkcji. Obwarowana licencją jest za to inna nazwa tej metody: skrótu FDM (Fused Deposition Modeling) mogą używać tylko firmy Stratasys i MakerBot...

W dalszej części artykułu zajmujemy się prawie wyłącznie techniką FFF: tylko ona jest już teraz dostępna powszechnie i tanio i to ona może mieć w bliskiej przyszłości duży wpływ na nasze życie.

 

Niedościgniony ideał: kompilator materii

Gdzieś w przyszłości czeka na nas niedościgniony ideał w produkcji addytywnej: kompilator materii albo uniwersalny fabrykator. To hipotetyczne urządzenie pojawiło się w serialu Star Trek jako replikator, w książce Neala Stephensona Diamentowy wiek, jak również w grze Deus Ex jako universal constructor. Kompilator materii manipuluje z absolutną precyzją pojedynczymi atomami albo cząsteczkami chemicznymi, układając je w dowolne struktury. Pozwala wykonać nieodróżnialną, wierną co do atomu kopię przedmiotu albo na podstawie zapisanego cyfrowo projektu wytworzyć dowolny przedmiot, nieodróżnialny od naturalnego. Znaczenie takiego wynalazku byłoby ogromne; w science fiction albo jest on bardzo ograniczony (w Deus Ex fabrykatorem dysponują tylko sekretne stowarzyszenia; w Star Treku replikator nie umie wytwarzać wielu cennych materiałów), albo jest jednym z centralnych elementów fabuły i czynnikiem kształtującym społeczeństwa. Kompilator materii jeszcze długo pozostanie w sferze science fiction; zapewne prędzej doczekamy się nanomaszyn budujących przedmioty z kawałków materiału większych niż atomy. 

Ocena artykułu:
Ocen: 20
Zaloguj się, by móc oceniać
Artykuły spokrewnione
Facebook
Ostatnio komentowane