Produkcja przyrostowa jest szerokim terminem określającym proces produkcyjny wytwarzania obiektu poprzez nakładanie materiału warstwa po warstwie. Do chwili obecnej istnieje siedem różnych rodzajów procesów AM, z czego najbardziej popularne są FDM, SLA i SLS
FDM – Fused Deposition Modeling
Technologia FDM znana również jako FFF (Fused Filament Fabrication) jest najbardziej znaną technologią. Do tworzenia obiektów wykorzystuje termoplastyczne materiały zazwyczaj w formie szpuli z filamentem. Istnieje kilka zalet FDM. Proces drukowania jest łatwy do nauczenia, średnio szybki i zwykle nie wymaga dużo miejsca. Najczęściej są to drukarki desktopowe co czyni je idealnymi do pracy w biurze. Z drugiej strony są też duże przemysłowe maszyny które są wykorzystywane przy wspomaganiu procesu produkcji. W takich przypadkach można zastosować postać granulatu zamiast filamentu.
Zarówno użytkownicy indywidualni jak i biznesowi wykorzystują drukarki typu FDM do tworzenia funkcjonalnych prototypów, własne modele koncepcyjne. Popularne stają się też modele medyczne ponieważ niektórzy producenci urządzeń dostali certyfikat FDA
Projektowanie dla FDM
Aby stworzyć modele pod drukarkę 3D typu FDM potrzebujesz oprogramowania graficznego (np typu CAD). W technologii tej mogą wystąpić problemy z niedolaniem filamentu lub z tzw nadlewkami, dlatego konieczne jest zastosowanie podpór. Na szczęście oprogramowanie analizuje geometrie modelu aby dobrać jak najlepszą strukturę podpór. Drukarki FDM z jednym extruderem tworzą podpory z tego samego materiału z którego drukowany jest cały model w tym przypadku musimy ręcznie usunąć podpory. Natomiast urządzenia z dwoma extruderami które stają się coraz bardziej popularne dają nam możliwość drukowania z materiałów podporowych które rozpuszczają się w wodzie, lecz jest to proces bardzo długi i czasem sama woda nie wystarczy wtedy musimy użyć np kwasu cytrynowego. Poza tym nie każdy materiał do druku modeli spja się właściwie z materiałem podporowym. Innym ważnym czynnikiem jest ułożenie modelu na platformie roboczej. Najlepiej ustawić go tak aby zostało wygenerowane jak najmniej podpór
Zalety FDM
- Nietoksyczny choć niektóre filamenty tworzą toksyczne opary. Zwykle jest to proces bezpieczny dla środowiska.
- Szeroki wybór różnokolorowych i niedrogich materiałów które mogą być użyte na wiele różnych sposobów
- Niskie lub umiarkowane koszty sprzętu.
- Niskie koszty post-processingu (usuwanie podpór lub wygładzanie wydruków)
- Najlepsze do produkcji elementów średnich rozmiarów
- Porowatość składników jest praktycznie zerowa.
- Wysoka stabilność strukturalna, odporność chemiczna, odporność na wodę i temperaturę materiałów.
- Większe pole robocze w porównaniu do innych technologii
Wady FDM
- Ograniczone opcje projektowania. Nie można wytwarzać cienkich ścian, ostrych kątów, ostrych krawędzi w płaszczyźnie pionowej.
- Modele drukowane są najsłabsze w pionowym kierunku budowy ze względu na anizotropię właściwości materiału dzięki metodzie addytywnej
- Wymagane są podpory
- Niezbyt dokładny, z tolerancją od 0,10 do 0,25 mm.
- Wytrzymałość na rozciąganie wynosi w przybliżeniu dwie trzecie tego samego materiału, który został uformowany wtryskowo.
- Trudno kontrolować temperaturę w komorze roboczej, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania najlepszych wyników.
SLA – Stereolithography
Drugą najpopularniejszą technologią druku 3D jest technologia SLA. Jest to pierwsza opatentowana technologia AM. W trakcie wydruku żywica jest poddawana działaniu wiązki laserowej lub cyfrowego projektora światła. Źródło energii utwardza materiał warstwa po warstwie na platformie. Po zakończeniu wydruku platforma unosi się. Ważne jest aby kuweta była zasłonięta aby zapobiec ulatnianiu się szkodliwych oparów. Sama komora musi być nieprzezroczysta lub zabarwiona, aby zapobiec przedwczesnemu utwardzeniu spowodowanego światłem zewnętrznym
W technologii SLA tak samo jak w FDM konieczne jest zastosowanie podpór. Ale w tym przypadku zawsze są one wykonane z tego samego materiału co model Po zakończeniu drukowania model należy wysuszyć i umyć w rozpuszczalniku, który usuwa nadmiar żywicy a następnie poddane działaniu promieniowania UV w celu całkowitego utwardzenia komponentu. Dopiero wtedy podpory mogą zostać usunięte
Dzięki SLA możesz drukować z szeregu fotopolimerów jak epoksyd, uretan, akrylan, elastomer i winyl. Możesz użyć tych materiałów do wytworzenia niefunkcjonalnych prototypów zatrzaski i zawiasy, modele medyczne, zwłaszcza do zastosowań dentystycznych, a także wzory odlewnicze.
Projektowanie dla SLA
Podczas projektowania dla technologii SLA obowiązują podobne zasady ja przy FDM. Ze względu na konieczność zastosowania podpór również musimy pamiętać o ułożeniu modelu tak aby wygenerować ich jak najmniej Gotowe części są półprzezroczyste, a grubość warstwy może wynosić zaledwie 0,05 – 0,15 mm.
Zalety SLA
- Doskonałe wykończenie powierzchni przy grubości warstwy od 0,05 do 0,15 mm.
- Gotowe modele można malować
- Umiarkowanie szybki
- Ekonomiczny w przypadku produkcji małych ilości części
Wady SLA
- Drogie materiały
- Post processing nie jest tylko wymagany ale jest długą i skomplikowaną operacją. Po zakończeniu wydruk należy umyć w myjce ultradźwiękowej, następnie usunąć podpory a na koniec utwardzić wydruk światłem UV
- Sama żywica jest toksyczna, ale zmieszanie z IPA jest jeszcze bardziej niebezpieczne. Płyn należy zabezpieczyć i przekazać do utylizacji wyspecjalizowanej firmie.
- Odpady nie nadają się do recyklingu i są trudne do zagospodarowania
- Podpory są wymagane
- Wydruki są najsłabsze w pionowym kierunku budowy ze względu na anizotropię we właściwościach materiału ze względu na metodę warstwy addytywnej.
- Laser należy okresowo kalibrować
- Grubość warstwy może się różnić dla różnych żywic
- Fotopolimery są toksyczne, podobnie jak opary uciekające podczas procesu.
SLS – Selective Laser Sintering
SLS ma jedną z najdłuższych historii w branży druku 3D, jest najbardziej znana i na dzień dzisiejszy, najbardziej przewidywalna technologia wytwarzania przyrostowego. Sposób działania jest bardzo prosty. Wiązka laserowa spieka sproszkowany materiał w szczelnej komorze, czasami w atmosferze gazu obojętnego, aby zapobiec utlenianiu. Gdy komora jest podgrzewana, tuż poniżej temperatury topnienia proszku, laser służy jedynie do dodania niewielkiej ilości energii do stopienia proszku. Po zakończeniu spiekania warstw platformy zmieniają położenie a dedykowany mechanizm uzupełnia warstwę proszku z komory zasilającej do komory drukarskiej po czym proces zostaje powtórzony. W technologii SLS nie są wymagane podpory, proszek który otacza wydruk sam staje sie podporą
Dokładność technologii SLS zależy od wiązki laserowej jego średnicy i ścieżki którą się porusza: prostopadle do warstwy lub pod kątem do warstwy. Dokładność zależy również od wysokości warstwy. Na drukarkach tego typu możemy wykonać bardzo skomplikowane modele, nawet z ruchomymi elementami wewnątrz modelu.
Po wydrukowaniu nadmiar proszku można usunąć po prostu przez odkurzanie lub wymiatając materiał szczotką. Aby uzyskać najlepsze wyniki, wydruk można również wypiaskować. Selektywne spiekanie laserowe wykorzystuje szeroki zakres materiałów, takich jak tworzywa termoplastyczne, elastomery i wosk. Niektóre maszyny przemysłowe pracują na sproszkowanych metalach (SLM, DMLS, LPBF) lub ceramice.Gdy porównamy możliwości w SLS, SLA i FDM, najbardziej skomplikowane modele możemy wykonać w technologii SLS. Od funkcjonalnych, ruchomych prototypów, które można przetestować w tunelach aerodynamicznych lub przejść inne testy eksperymentalne, do końcowych elementów drukowanych w małych lub umiarkowanych ilościach. Jest również wykorzystywany do potrzeb edukacyjnych, zarówno przez naukowców, jak i naukowców do nauczania studentów.
Projektowanie dla SLS
Projektanci wybierają SLS, ponieważ daje im to wiele swobody. Możliwe jest tworzenie ruchomych części o skomplikowanej geometrii, ponieważ nie jest wymagane tworzenie podpór, łatwiej jest również przygotować bardziej szczegółowe projekty z ostrymi krawędziami i cienkimi ścianami. Grubość warstwy od 0,06 do 0,15 mm czyni ją bardzo precyzyjną. Podobnie jak w przypadku FDM i SLA, anizotropia we właściwościach materiału powoduje osłabienie części w kierunku pionowym.
Zalety SLS
- Brak konieczności tworzenia podpór
- Części ruchome o skomplikowanej geometrii wewnętrznej.
- Gładkie powierzchnie – trudno zauważyć warstwę.
- Trwałe wydruki.
- Proszek nadaje się do ponownego użycia po wydrukowaniu.
- Niskie do umiarkowanych koszty materiałów, przy pełnym wykorzystaniu obszaru roboczego.
- Drukarki 3D Desktop SLS są tanie w porównaniu do maszyn przemysłowych.
- Nie są wymagane wysokie kwalifikacje
Wady SLS
- Maszyny przemysłowe są drogie.
- Długi czas oczekiwania.
- Czyszczenie maszyny musi być wykonane dokładnie przy zmianie materiału, aby uniknąć zanieczyszczenia.
- Długi czas drukowania (dla większych obiektów).
- Do zarządzania proszkiem podczas obróbki końcowej zaleca się stosowanie odkurzacza i sprężonego powietrza, ponieważ może się zakurzyć.
