fbpx

Szybkie Prototypowanie – Rapid Prototyping, Druk 3d

Szybkie prototypowanie - rapid prototyping, druk 3D

Druk 3d z żywicy, druk 3d z plastiku, a może z proszku tworzywowego lub metalicznego? Poznaj te domowe i produkcyjne metody wykonywania własnych elementów, szczególnie do zastosowań prototypowych. W artykule tym zostały zaprezentowane najczęściej stosowane techniki szybkiego prototypowania, a szczególnie drukowanie 3d z żywic światłoutwardzalnych (metoda DPP).

Przejdź szybko do wybranego fragmentu tekstu:

    Metody szybkiego prototypowania – zastosowanie

    Metody szybkiego prototypowania (lub tzw. szybkiego wytwarzania z ang. rapid prototyping – w skrócie RP), czyli technologię opierające się na druku 3D znacznie rozwinęły i przyspieszyły procesy związane z wprowadzaniem na rynek nowych produktów oraz nowoczesnych rozwiązań technicznych, szczególnie tych chronionych prawnie: wynalazków, wzorów użytkowych, wzorów przemysłowych – zobacz, jak chronić swoje pomysły.

    druk 3d z żywic metoda szybkiego prototypowania
    Przykładowy wydruk 3d - prototyp śmigła. Jedna z technik szybkiego prototypowania (rapid prototyping RP) - technologia DPP

    Podział technologii RP (rapid prototyping)

    Technologie RP – rapid prototyping (szybkiego prototypowania) bardzo często dzieli się w zależności od tego, jakie zostają wykorzystywane materiały do druku 3d. Najczęściej wyróżniamy technologie korzystające z proszków, cieczy lub materiałów litych. Niektóre znane technologie zostały przedstawione na poniższym rysunku. Warto zaznaczyć, że schemat ten przedstawia tylko niektóre – najczęściej spotykane technologie przyrostowe.

    podzial metod szybkiego prototypowania rapid prototyping
    Podział technik przyrostowych. Podział metod szybkiego prototypowania (rapid prototyping).

    Charakterystyka prototypowanych przedmiotów

    Przedmioty drukowane na obecnie dostępnych urządzeniach cechuje wysoka dokładność wymiarowo kształtowa, wysoka rozdzielczość, a także stosunkowo niewielka grubość poszczególnych warstw (im mniejsza grubość, tym lepsze właściwości wydrukowanego przedmiotu, lepsze walory estetyczne i inne kluczowe właściwości). Warto zaznaczyć, że wszystkie cechy zależą od wykorzystywanej technologii.

    Szczególnie prężnie rozwija się technologia druku 3D wykorzystująca do prototypowania żywice światłoutwardzalne (tzw. technologie DPP lub DLP lub SLA).

    Zasada schemat działania drukarki 3d DPP drukującej z żywic światłoutwardzalnych
    Zasada, schemat działania drukarki 3d DPP - drukującej z żywic światłoutwardzalnych

    Szybkie prototypowanie – druk 3d DLP / DPP z żywic

    Technologia druku 3D DPP (z ang. Daylight Polymer Printing) – czyli drukowanie polimerów utwardzanych w świetle dziennym jest jedną z kilku metod produkcji addytywnej (przyrostowej). Główne zastosowanie znajduje w technikach szybkiego prototypowania lub produkcji niskoseryjnej (jednostkowej). Podczas drukowania obiektu, wykorzystywane jest światło emitowane przez specjalnie przystosowany projektor, umiejscowiony w dolnej części korpusu drukarki 3d. Bezpośrednio nad ekranem znajduje się pojemnik na specjalną żywicę do druku 3d, która służy, jako budulec przyszłego wydruku 3d.

    Zastosowanie wydruków 3d z żywic światłoutwardzalnych

    Wydruki 3d z żywicy światłoutwardzalnej stosowane są głównie, jako zaawansowane prototypy, makiety, modele poglądowe, ale również i użytkowe. Często również znajdują zastosowanie, jako elementy  Obecnie na rynku istnieje kilka producentów drukarek 3d drukujących z żywic zarówno w technologii SLA, DLP lub DPP. Tutaj skupimy się na DPP.

    druk 3d z zywic swiatloutwardzalnch slonik
    Przykład bardzo dokładnego wydruku 3d wykonanego w technologii szybkiego prototypowania druku 3d z żywic światłoutwardzalnych - technologia DPP

    Specyfikacja drukarki 3d DPP z żywic światłoutwardzalnych

    Pole robocze drukarek żywicowych jest z reguły mniejsze niż w innych technologiach, jednak są dostępne modele umożliwiające wydruki o gabarytach przekraczających 350 x 200 x 300 mm (np. nasza drukarka 3d DPP Liquid Crystal Pro, którą posiada nasza Prototypownia3d.pl). Drukarki DPP nie muszą korzystać ze skomplikowanej aparatury laserowej, specjalnego podgrzewanego stołu, ani precyzyjnych silników krokowych.  Ich cena może być niższa, a awaryjność znacznie mniejsza.

    zamow prototyp druk 3d z zywic swiatloutwardzalnych
    Wykonany druk 3d z żywicy światłoutwardzalnej DPP - drukarka Liquid Crystal Pro

    Wady technologii drukowania 3d DPP z żywic

    Warto dodać, że technologia ta nie jest pozbawiona wad.  Drukarki DPP są mniej precyzyjne od drukarek SLA, zwłaszcza przy drukowaniu modeli o znacznych gabarytach. Jakość powierzchni zależy również od jakości i rozdzielczości wyświetlacza. Obecnie stosuje się wyświetlacz 4K, zapewniający najlepszą rozdzielczość wyświetlania, a tym samym bardzo wysoką rozdzielczość (dokładność) drukowania 3d z żywic.

    Programowanie drukarek 3d DPP (drukarki żywiczne)

    Drukarki DPP w większości przypadków wymagają znacznie mniej pracy związanej programowaniem wydruków. Najczęściej wystarczy wczytać model 3d, wybrać rodzaj i metodę generowania supportów (warstw wsporczych), rodzaj żywicy, jakość powierzchni, a następnie pociąć model 3d odpowiednim „Slicerem”. Przy bardziej złożonej geometrii prototypów należy uważniej dobierać miejsca suportów, ich rozmiar, a także umiejscowienie przedmiotu na platformie roboczej.

    Programowanie drukarek 3d żywicznych. Technika DPP, jako jedna z metod szybkiego prototypowania - rapid prototyping

    Żywice do druku 3d DPP dla amatorów rapid prototyping

    Jak się okazuje oprócz samego programisty – technologa, duże znaczenie ma również maszyna i stosowana żywica. Ze zwykłej, standardowej żywicy (bez specjalistycznych wymagań) początkujący drukarz 3d jest w stanie wydrukować stosunkowo dobre jakościowo obiekty już za pierwszym podejściem. Należy pamiętać, że aby przed każdym drukiem 3d ekran naświetlający został włączony, a platforma robocza była odpowiednio zbazowana. Zapewni to odpowiednie utwardzenie pierwszych warstw wydruku i zapobiegnie odklejaniu się kolejnych warstw wydruku 3d.

    Eksploatacja drukarek 3d DPP

    Drukarki 3d DPP wymagają nieco więcej troski niż inne, co jest związane z tym, że żywica w stanie płynnym jest bardziej uciążliwa w czyszczeniu. Należy dbać o czystość folii Wat w pojemniku na żywicę światłoutwardzalną do druku 3d, zapewnić czystość ekranu, platformy roboczej itp. Bardzo istotną kwestią jest dopilnowanie odpowiedniego stanu folii Wat, jeśli będzie ona nieszczelna, należy natychmiast ją wymienić.

    Obróbka prototypów z żywic DPP

    Po zakończeniu wydruku 3d z żywicy, należy zdjąć platformę roboczą wraz z wydrukiem, i odtłuścić go denaturatem lub propanolem, a następnie obmyć pod wodą. W zależności od zastosowanej żywicy, przedmiot należy po wydruku utwardzić za pomocą odpowiedniego światła (najlepiej specjalistycznego pieca UV). Utwardzony detal nadaje się do obróbki mechanicznej lub malowania.

    utwardzanie druku 3d zywice w piecu uv
    Utwardzanie wykonanego druku 3d z żywic w piecu UV

    Druk 3d DPP z żywic, a inne technologie szybkiego prototypowania

    Drukowanie 3D metodą DPP jest rozwinięciem technologii SLA, będącej podstawową technologią do opracowania i ulepszania DPP oraz DLP. Podobnie, jak w SLA (stereolitografii), poszczególne warstwy utwardzone są promieniowaniem świetlnym, jednak w technice DPP wykorzystuje się światło całej powierzchni ekranu (projektora), a nie pojedynczą wiązkę lasera, obiegającą kontur poszczególnej warstwy drukowanego przedmiotu. Jak wspomniano na początku tego artykułu istnieje kilka technik szybkiego prototypowania – rapid prototyping (druku 3d), a są to między innymi:

    • FDM/FFF – technologia druku 3d z tworzyw sztucznych,
    • SLS, SLM – technologia druku 3d spiekania/topienia proszku,
    • SLA – technologia druku 3d z żywic utwardzanych laserem,
    • DLP, DPP – technologia druku 3d z żywic utwardzalnych projektorem.

    Szybkie prototypowanie – druk 3d w technologii FDM/FFF

    Drukarki 3d wykonujące prototypy w technologii FDM / FFF opierają swoje działanie na ekstruzji ciekłego filamentu (materiału do drukarek 3d drukujących w FDM / FFF – odpowiednik ‘tuszu’ do zwykłych drukarek) przez dyszę i nanoszeniu go warstwa po warstwie na platformę roboczą (stół).

    Zasada schemat działania drukarki 3d DPP drukującej z żywic światłoutwardzalnych
    Zasada, schemat działania drukarki 3d DPP - drukującej z żywic światłoutwardzalnych

    Tworzywo sztuczne jest topione w tzw. ekstuderze, który odpowiada za ciągłość przepływu filamentu, odpowiednią temperaturę oraz utrzymywanie stałej średnicy pojedynczej ścieżki dozowanego materiału. Jest to technologa stosunkowo mało skomplikowana, niedroga oraz popularna. Posiada jednak pewne ograniczenia technologiczne uniemożliwiające jej wykorzystywanie w niektórych dziedzinach przemysłu i nauki.

    Szybkie prototypowanie – druk 3d w technologii SLS / SLM

    Kolejnymi metodami wytwarzania przyrostowego są SLS oraz SLM. Pierwsza z nich, czyli SLS (Selective Laser Sintering) opiera się na laserowym spiekaniu poliamidu w postaci proszku. Technologia ta jest ciągle ulepszana od przeszło 30 lat i obecnie stanowi najbardziej popularną technikę zaawansowanego szybkiego prototypowania oraz produkcji krótkoseryjnej części technicznych ze wszystkich systemów druku 3D.

    Można zaryzykować stwierdzeniem, że ta metoda może być konkurencją w tworzeniu niektórych elementów produkowanych przy użyciu metody wtryskowej. Obecnie wiele firm decyduje się na zakup drukarek SLS do produkcji małoseryjnej przedmiotów z tworzyw poliamidowych.

    Zasada, schemat działania drukarki 3d SLS lub SLM - drukującej z proszkowych materiałów tworzywowych lub metalicznych

    Szybkie prototypowanie – druk 3d w technologii SLM

    Szybkie prototypowanie w technologii druku 3d SLM, czyli technologia selektywnego stapiania wiązką lasera (Selective Laser Melting) umożliwia produkowanie precyzyjnych i jednorodnych prototypów i poszczególnych części metali takich, jak:

    • stal nierdzewna,
    • stal narzędziowa,
    • stopy tytanu,
    • stopy aluminium,
    • kobalt, chrom oraz inne metale, które mogą być dozowane w formie proszku.

    W procesie selektywnego spiekania proszków, komponenty wytwarzane są na podstawie komputerowych modeli 3D, zapisanych w odpowiednim formacie i odpowiednio obrobionych przez specjalne programy. Wytwarzanie jest procesem przyrostowym, w którym przedmiot powstaje bez ograniczeń projektowych oraz przy zapewnieniu dużej prędkości i dokładności wykonania.

    Newsletter ABC Wynalazcy!

    Właściwości elementów drukowanych 3d z metalu w SLM

    Efektem procesu SLM jest bardzo zbliżony gęstością, wytrzymałością i precyzją wykonania element porównywalny z produktami metod odlewniczych. Niektóre źródła podają, że wydrukowane w 3d elementy mają nawet lepsze właściwości od elementów odlewanych. Grubości warstw nanoszonych w czasie wydruku 3d wynoszą nawet 0,05 – 0,03 mm, przy czym przyjmowane tolerancje przedmiotów sięgają w przybliżeniu 0,02 mm.

    Oprócz doskonałej dokładności wymiarowo kształtowej, wytwarzanie metodą SLM zapewnia chropowatość powierzchni na poziomie mniejszy niż 20 μm. Przedmioty wydrukowane tą metodą, zawsze wykazują gęstość bliską 100%, są również spójne, jednorodne i posiadają bardzo dobre właściwości materiałowe. Technologia selektywnego stapiania laserem jest obecnie stosowana w takich branżach jak automotive, lotnictwo czy kosmonautyka.

    Szybkie prototypowanie – druk 3d w technologii SLA

    Kolejną technologią szybkiego prototypowania wartą opisu jest druk 3d SLA zwany stereolitografią. Drukarki 3d SLA wykorzystują utwardzanie światłem żywic fotopolimerowych, różnica polega jednak na sposobie utwardzenia. Sercem technologii SLA jest wykorzystywany laser poruszający się po zaprogramowanej wcześniej ścieżce dla całej warstwy. Utwardza on żywicę naniesioną na uprzednio wytworzoną warstwę tworząc kolejną. Dokładność wydruku 3d metodą stereolitografii jest bardzo dobra i związana jest ze średnicą plamki lasera lub dokładnością jego poruszania w osi XY. Po utwardzeniu warstwy obiekt jest obniżany w głąb pojemnika z żywicą i tworzona jest kolejna warstwa, która przykleja się do poprzedniej.

    Zasada, schemat działania drukarki 3d SLA - drukującej z żywicy utwardzalnej światłem lasera

    Technologię SLA stosuje się głównie w zaawansowanym prototypowaniu (rapid prototyping RP), produkcji jednostkowej lub małoseryjnej. Dodatkowo stereolitografia pozwala na wydruk 3d elementów transparentnych, co wyróżnia ją w stosunku do innych technologii przyrostowych. Technologia szybkiego prototypowania 3d SLA zapewnia wysoką dokładność tworzonych obiektów, dlatego wykonane na niej elementy wykorzystuje się szczególnie, jako modele matrycowe, które są stosowane do wykonywania form odlewniczych.

    Podsumowanie – Szybkie prototypowanie – rapid prototyping, druk 3d

    Technologie szybkiego prototypowania są ciągle rozwijane i jest to jedna z najbardziej prężnych branży wytwórczej. Bardzo ciekawą techniką druku 3d wydaje się być technologia druku 3d z żywic DPP. Drukarki DPP wiążą się z większymi kosztami materiałowymi, eksploatacyjnymi, aczkolwiek dzięki niej możemy uzyskać dla Was prototypy o znacznie lepszej jakości niż kiedyś. Wiąże się to z lepszą jakością powierzchni wydruków 3d i większymi możliwościami przy drukowaniu 3d małych gabarytów o skomplikowanej geometrii.

    Jeśli potrzebujesz POMOCY w konstruowaniu swoich wynalazków oraz tworzeniu prototypów, a na pewno razem jakoś podziałamy! >SZYBKI KONTAKT<

    Redagował: mgr inż. Dawid Pjanka “Vinci” 

    Wynajmij Inżyniera
    mgr inż. Tomasz Piecuch
    Pracuję w technologicznej firmie CSTNG.pl, zajmuję się projektowaniem wynalazków dla klientów, jak również obsługą drukarek 3D. Ponadto, na co dzień kieruję kilkoma projektami i zarządzam specjalistami, z którymi współpracuje nasza firma, kanał Wynalazca.TV oraz biuro patentowe INICJATOR.pl
    Close