TECHNOLOGIA


Druk 3D w technologii FDM
druk 3d poznan

Druk 3D (druk przyrostowy, druk przestrzenny) z użyciem metody FDM (ang. fused deposition modelling – Osadzanie topionego materiału) zalicza się do procesów pozwalających na wytwarzanie trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie przygotowanego modelu komputerowego. Jest to jedna z metod rapid prototyping, czyli szybkiego prototypowania.

Techniki przyrostowe, nazywane również czasem „technikami generatywnymi”, znacząco różnią się od ogólnie znanej obróbki ubytkowej. Charakteryzują się tworzeniem wyrobów, poprzez nakładanie materiału budulcowego warstwa po warstwie lub łączeniem przygotowanych wcześniej elementów. Zdjęcia poniżej przedstawiają obiekt prototypowy oraz wykonany metodą druku 3D. Grubość warstwy w przypadku druku tego modelu wynosiła 0,2mm, co przy tak małym elemencie wpływa na wyraźnie zarysowane poszczególne warstwy.

#druk3d pro-kamro#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

Pierwsze przykłady korzystania z tych technik datuje się na paręset lat temu i były wówczas wykorzystywane to wykonywania makiet. Pierwsza współczesna metoda tworzenia przyrostowego została opracowana w 1986 roku, a wraz z upływem czasu pojawiały się kolejne. Aż do czasów obecnych, gdzie techniki szybkiego prototypowania rozwijają się w bardzo szybkim tempie. Jest to podyktowane szybko rozrastającym się rynkiem programów do modelowanie obiektów powierzchniowych lub bryłowych.

Współczesne maszyny mają możliwość nanoszenia warstw o grubości zazwyczaj około 0,1 mm, jednak istnieją rozwiązania, które są znacznie precyzyjniejsze. Duża precyzja wymaga dużej dokładności nakładania poszczególnych warstw, dlatego aby w pełni wykorzystać możliwości tychże maszyn konieczne jest stosowanie specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Środowiska do obsługi maszyn prototypujących generują kody sterujące napędami obrabiarki, z dokładnością której człowiek nie jest w stanie ręcznie uzyskać.

Techniki przyrostowe znajdują zastosowanie w tworzeniu prototypów – czyli obiektów naśladujących rzeczywisty wyrób w możliwie najlepszy sposób. Dodatkowo druk 3d można wykorzystać również do wytwarzania oprzyrządowania stosowanego przy zwykłych obróbkach, np. różnego rodzaju narzędzia, matryce czy formy odlewnicze lub do wtryskiwania.

Z angielskiego metoda FDM to fused deposition modellin, czyli osadzanie topionego materiału. W praktyce oznacza to nanoszenie materiału nazywanego filamentem (najczęściej tworzywa sztucznego) na nagrzany stół drukarki 3D. W metodzie FDM ciekły materiał jest nanoszony w postaci pojedynczych warstw modelu. Filament nanoszony jest poprzez dyszę urządzenia, ogrzaną do temperatury topnienia używanego materiału. Niektóre modele drukarek posiadają dwie dysze, co umożliwia drukowanie w dwóch kolorach lub zastosowanie dodatkowego materiału podporowego przy złożonych wydrukach. Przemieszczanie dyszy, prędkość oraz ilość dozowanego materiału jest określona przez użytkownika i ustawiana na sterowniku urządzenia.

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

 

 

Rapid prototyping – procesy składowe

 

Pierwszym etapem, aby przystąpić do drukowania jest zamodelowanie w programie graficznym obiektu oraz zapisanie go do pliku z rozszerzeniem STL (StereoLithography). Na rynku dostępnych jest wiele programów inżynierskich umożliwiających pracę z modelami 3D, np. Autodesk Inventor, SolidWorks, Catia itp., jednak aby uzyskać zadowalające efekty w modelowaniu niezbędna jest inżynierska wiedza oraz dłuższa praca w tego typu środowiskach. Początkowo otrzymujemy model składający się tylko z krawędzi (model krawędziowy).

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

Następnie poprzez zapisanie do pliku STL model zostaje podzielony na siatkę trójkątów. Zdjęcie po lewej obrazuje siatkę o tolerancji teselacji tworzenia cięciwy wysokości równej 0,02. Drugi przypadek ukazuje zdecydowanie dokładniejszą siatkę, której wartość wynosi 0,001.

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

Plik STL zapamiętuje tylko geometrię twójwymiarowej siatki, bez koloru, tekstur czy jednostki długości. Pliki o takim rozszerzeniu są powszechnie używane ponieważ są skompresowane wewnętrznie, zawierają w sobie tylko najpotrzebniejsze informacje, co skutkuje zmniejszeniem potrzebnej pamięci komputera. Minusem jest fakt że sam plik STL jest trudny do edytowania bez specjalnego oprogramowania (np. Magics RP, Geomagic Desing X, Geomagic Studio). Początkowo był to typ pliku stworzony na potrzeby firmy 3D Systems, ale obecnie stosowany jest przez wszystkie systemy szybkiego prototypowania.

Następnie tak zapisany plik umożliwia poddanie modelu analizie w programach przygotowujących do druku 3D (np. Cura, Slic3r, KISSlicer, Repetier Host, DesingSpark Mechanical).). Konieczne jest odpowiednie zdefiniowanie parametrów wydruku (indywidualnych dla każdego obiektu). Do podstawowych parametrów należy prędkość wydruku, grubość warstwy oraz grubość ścianek bocznych, średnica dyszy (zależna od parametrów drukarki), wybór rodzaju podpór, temperatura stołu oraz głowicy i wiele innych. Dzielenie obiektu na warstwy do druku jest wykonywane automatycznie w programie. Grubość warstwy zależy od parametrów drukarki oraz preferencji użytkownika. Im większa grubość warstwy tym mniejsza dokładność, ale również zdecydowanie krótszy czas wydruku. Zastosowanie cieńszej warstwy znacząco poprawia jakość drukowanego modelu ale wydłuża czas. Dodatkowo wzrost czasu ma wpływ na koszt wydruku, dlatego przed wydrukiem należy określić czy ważniejszy jest czas i pieniądze czy dokładność i jakość.

Podczas samego procesu druk 3d należy zwracać uwagę na odpowiednią temperaturę stołu oraz głowicy (zależną od stosowanego materiału – patrz opis materiałów). Dodatkowo bardzo ważne jest, aby pierwsza warstwa dobrze przykleiła się do stołu – w tym celu można stosować różnego rodzaju podkładki (np. BUILDTAK) lub specjalne lakiery nanoszone bezpośrednio przed wydrukiem. Zapobiega to niepożądanym przesuwom drukowanego obiektu. Zaleca się odczekać na ostygnięcie stołu zanim odklei się model. Podczas faktycznego wydruku należy kontrolować co dzieje się w komorze roboczej maszyny prototypującej, ponieważ mogą pojawić się niepożądane błędy (odklejenie modelu, zapchanie dyszy, skończenie się filamentu). Kontrola podczas wydruku obniża ryzyko uszkodzenia drukowanego obiektu lub samej maszyny.  Po skończonej pracy wydruk jest gotowy do dalszej obróbki lub użytku zgodnego z przeznaczeniem. Wytrzymałość modeli wykonanych metodą FDM zależna jest od zastosowanego wypełnienia. Wartość wypełnienia dobierana jest procentowo.

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

Następnie na życzenie klienta możliwe jest zastosowanie dodatkowej obróbki, czyli tak zwany post-processing. Zalicza się do tego szlifowanie w celu poprawy jakości powierzchni po wydruku lub przepłukanie w acetonie, aby nadać elegancki połysk. Z uwagi, że obiekty wykonywane metodą druku 3D są bardzo różne i jest to zazwyczaj produkcja jednostkowa koszt każdej usługi jest ustalany indywidualnie z klientem.

Metoda FDM jest stosunkowo tania na tle innych metod projektowania przyrostowego. Charakteryzuje się szybkim tempem budowania pojedynczych detali oraz małymi stratami materiałowymi. Dodatkowo możliwe jest drukowanie elementów pustych w środku oraz mających bardzo cienkie ścianki. Metoda nadaje się do pracy w warunkach biurowych, jednak prawidłowa i wydajna praca z drukarkami 3D wymaga wiele wiedzy teoretycznej oraz sporo praktyki.

#druk3d; pro-kamro; druk 3d; druk 3d poznań; model 3d; prototyp;

Projektowanie:

  • Wybór obiektu pod druk 3D
  • Utworzenie modelu 3D
  • Analiza pod kątem możliwości metody druku

Przygotowanie:

  • Umiejscowienie obiektu w najbardziej optymalnym położeniu
  • Dobranie parametrów wydruku
  • Dodanie podpór – jeśli są wymagane
  • Podział obiektu na warstwy

Drukowanie:

  • Przygotowanie maszyny – dobór materiału i koloru
  • Nagrzanie głowicy oraz stołu
  • Przygotowanie stołu aby wydruk dobrze się przykleił
  • Kontrola wydruku w czasie rzeczywistym

Obróbka:

  • Usunięcie podpór – jeśli konieczne
  • Złożenie modelu – jeśli składa się z kilku części
  • Post-processing
    • Przeszlifowanie dla poprawienia jakości powierzchni
    • Przemycie acetonem dla nadania połysku.

 

Druk 3D – link do nagranie przykładowego procesu przyrostowego na jednej z naszych maszyn