Technologia druku 3D, znana również jako produkcja przyrostowa lub wytwarzanie addytywne, przeszła długą drogę od czasu jej powstania w latach 80. XX wieku. Chociaż oryginalnym założeniem druku 3D było szybkie prototypowanie, technologia ta rozwinęła się również w innych sektorach. Branża motoryzacyjna, architektura, inżynieria, budownictwo (AEC), wzornictwo przemysłowe, edukacja, stomatologia, medycyna, wojsko, lotnictwo, odzież, okulistyka, sztuka i biżuteria, żywność i wiele innych sektorów wykorzystuje technologię wytwarzania addytywnego zarówno do prototypowania, jak i produkcji rozproszonej.
Tym razem omówimy niektóre zastosowania druku 3D, prezentując rozwiązania dla naukowców, nauczycieli i studentów inżynierii oraz zwracając uwagę na korzyści płynące z druku 3D i opisując jego najczęstsze zastosowania.
Produkcja przyrostowa i związana z nią terminologia
Produkcja przyrostowa na tworzeniu trójwymiarowych obiektów stałych o niemal dowolnym kształcie, który można wydrukować na podstawie modelu cyfrowego. Cienkie warstwy tworzywa sztucznego lub metalu są nakładane na siebie, a następnie łączone w całość, tworząc obiekt.
Kolejnym terminem związanym z wytwarzaniem przerostowym jest „prototypowanie z wykorzystaniem druku 3D”, nazywane również „szybkim prototypowaniem”. Prototypowanie z wykorzystaniem druku 3D to prosty, szybki i niedrogi sposób na tworzenie produktów.
W 2015 roku opracowano normę ISO/ASTM 52900, której celem jest zdefiniowanie terminologii stosowanej w technologii wytwarzania przyrostowego. Norma określa zasadę kształtowania przyrostowego i umożliwia budowę rzeczywistych, trójwymiarowych geometrii poprzez stopniowe dodawanie materiału. Więcej informacji na temat podstaw wytwarzania addytywnego i związanego z nim słownictwa można znaleźć na stronie.
7 typów technologii druku 3D
Osoby, dla których świat technologii druku 3D jest czymś nowym, powinny przede wszystkim dowiedzieć się, jakie procesy i materiały są dostępne. Istnieją różne metody druku 3D wykorzystywane do budowy struktur i obiektów 3D – niektóre z nich są bardziej popularne od pozostałych.
- Stereolitografia (SLA)
- Osadzanie topionego materiału (FDM)
- Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
- Cyfrowe przetwarzanie światła (DLP)
- Selektywne topienie laserowe (SLM)
- Topienie wiązką elektronów (EBM)
- Laminowanie warstwowe (LOM)
Stereolitografia (SLA)
SLA to jeden z najstarszych procesów druku 3D, wynaleziona przez Chucka Hulla w 1986 roku. Metoda ta pomaga w sprawdzaniu, czy dana część będzie pasowała do projektu. Stereolitografia przydaje się również do drukowania prototypów całych projektów.
Jak działa drukarka SLA? Drukarki SLA nie działają jak zwykłe drukarki biurkowe. Ich działanie polega na warstwowym utwardzaniu żywicy światłoczułej, która po uformowaniu przyjmuje stałą formę. Gdy żywica twardnieje, platforma drukarki jest opuszczana do zbiornika, a laser tworzy kolejną warstwę, aż druk jest zakończony. Każda z warstw jest tworzona przez drukarkę za pomocą lasera, który jest prowadzony przez lustra filtrujące na osiach X i Y, znane również jako galwanometry.
Osadzanie topionego materiału (FDM)
FDM to obecnie najpopularniejsza technologia druku 3D. Za pomocą tej technologii można drukować prototypy operacyjne, a także produkty konsumenckie, takie jak koła zębate z tworzywa sztucznego, kajaki górskie, klocki lego itp.
Drukarka FDM roztapia termoplastyczne filamenty, takie jak ABS (terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy) i PLA (kwas mlekowy) i za pomocą podgrzewanych dysz nakłada je warstwa po warstwie na platformę. Oprócz tworzyw termoplastycznych może też wytłaczać materiały pomocnicze. Pod tym względem proces jest podobny do stereolitografii.
Selektywne spiekanie laserowe (SLS)
SLS to technologia 3D, która polega na spiekaniu cząstek proszku polimerowego z modelami 3D przy użyciu lasera o dużej mocy w celu wytworzenia solidnej struktury. SLS zapewnia niskie koszy i swobodę projektowania (technologia ta nie wymaga struktur nośnych, ponieważ spiekany proszek otacza elementy podczas drukowania), dlatego jest chętnie stosowana przed producentów i inżynierów.
Drukarki 3D SLS pomagają w tworzeniu skomplikowanych geometrycznie obiektów, które są trudne lub zbyt kosztowne do wytworzenia przy użyciu tradycyjnych procedur, takie jak części ruchome, części blokujące, części z kanałami wewnętrznymi i inne. SLS nadaje się do różnych zastosowań, w tym produkcji na zamówienie, pomostowej lub małoseryjnej oraz szybkiego prototypowania SLS.
Cyfrowe przetwarzanie światła (DLP)
Larry Hornbeck z Texas Instruments opracował technologię DLP w 1987 roku. To kolejny proces druku 3D podobny do stereolitografii, ale zapewniający szybszy czas wydruku. Zarówno w DLP jak i SLA wykorzystywane są fotopolimery. Technologia cyfrowego przetwarzania światła, wykorzystująca cyfrowe mikrolustra ułożone na chipie półprzewodnikowym, jest powszechnie stosowana w druku 3D, telefonach komórkowych i projektorach filmowych. Druk DLP pozwala na drukowanie niezwykle szczegółowych obiektów z żywicy, w tym zabawek, form jubilerskich, elementów dentystycznych, ozdób, figurek, wzmacniaczy i innych obiektów o precyzyjnych szczegółach.
Selektywne topienie laserowe (SLM)
Selektywne topienie laserowe (SLM) to nowsza technika 3D opracowana przez niemieckiego naukowca Wilhelma Meinersa w 1995 roku. Jest to technologia wytwarzania przyrostowego metali, polegająca na wykorzystaniu lasera o dużej gęstości mocy do topienia metalicznych proszków lontowych w celu pełnego wytworzenia części o kształcie zbliżonym do siatki.
Topienie wiązką elektronów (EBM)
EBM to technologia wytwarzania addytywnego wykorzystywana do tworzenia elementów metalowych. Technologia ta często jest kategoryzowana jako technika szybkiej produkcji. Tworzenie części wymaga użycia EBM w wysokim podciśnieniu do stopienia proszku metalowego warstwa po warstwie. Sproszkowany metal jest topiony przez wysokoenergetyczną wiązkę elektronów. Technologia EBM przypomina technologię SLM, ponieważ obie wykorzystują proszek, jednak EBM używa wiązki elektronów zamiast lasera.
Drukarki 3D EBM są wyposażone w pojemnik na proszek, podajnik proszku, zgarniacz proszku, źródło energii emitujące wiązkę elektronów oraz podgrzewaną platformę konstrukcyjną. Proces drukowania musi odbywać się w próżni, ponieważ wiązka elektronów przestałaby działać, gdyby jej elektrony zderzyły się z cząsteczkami gazu.
Laminowanie warstwowe (LOM)
LOM to niedrogi sposób na drukowanie 3D obiektów z kilku rodzajów materiałów, w tym papieru, polimeru i metalu. W zależności od materiału stosuje się różne metody łączenia warstw. Ten rodzaj produkcji przyrostowej opracowany został przez firmę Helisys Inc (obecnie Cubic Technologies). Metoda ta jest na razie mniej popularna od dotychczas wymienionych, szybko powinna jednak zyskać uznanie ze względu na swoją skuteczność oraz wydajność czasową i ekonomiczną. Na czym polega druk LOM? W technologii LOM materiał warstwowy jest wałkowany na platformie roboczej. Na ogół substancja pokryta jest warstwą kleju, który topi się po podgrzaniu rolki podającej. Kolejna warstwa dołączana jest wtedy do poprzedniej.
Przemysłowe zastosowania produkcji przyrostowej
Popularność druku 3D w ostatnich latach znacznie wzrosła. W wielu sektorach wykorzystuje się produkcję przyrostową, a firmy wciąż opracowują nowe modele biznesowe i możliwości.
Według Grand View Research, w latach 2022-2030 rynek druku 3D będzie charakteryzował się wskaźnikiem CAGR na poziomie 20,8% odnotowując wzrost z 13,84 mld dolarów w 2021 roku. Dostawy drukarek 3D osiągnęły 2,2 mln sztuk na świecie w 2021 r., a do 2030 r. przewiduje się dostawy 21,5 mln sztuk.
Lotnictwo i obrona
Producenci z sektora lotnictwa i obrony byli jednymi z pierwszych, którzy zaczęli wykorzystywać produkcję przyrostową. Z druku 3D korzysta wiele kluczowych marek, takich jak GE, Airbus, Boeing czy Safran, ze względu na to, że główną zaletą tej technologii w przemyśle lotniczym jest możliwość redukcji masy, co ma pozytywny wpływ na ładowność, wydajność paliwową i emisję dwutlenku węgla.
Producenci mogą tworzyć wytrzymałe materiały i komponenty, co ma szczególne znaczenie w przemyśle lotniczym. Druk 3D umożliwia tworzenie m.in. paneli ściennych, szybów powietrznych i metalowych elementów konstrukcyjnych.
Wojsko wykorzystuje w swojej pracy drony, a każdy element konstrukcyjny drona, z wyjątkiem części elektronicznych, można wyprodukować przy użyciu drukarki 3D. Dzięki technologii tworzenia modeli 3D w prosty sposób można wyprodukować akcesoria takie jak futerały, pokrowce i mocowania, które umożliwiają prawidłowe przechowywanie drona. Co więcej, elementy metalowe wytwarzane za pomocą drukarek 3D są wykorzystywane do naprawy sprzętu lotniczego i wojskowego.
Motoryzacja
W przemyśle motoryzacyjnym niezbędne są lekkie i wytrzymałe komponenty, które podnoszą komfort jazdy i zapewniają, że pojazdy są przystosowane do różnych warunków środowiskowych. Z tą myślą marka Porsche zaprojektowała innowacyjną technologię druku 3D do produkcji foteli kubełkowych. Technologia ta umożliwia klientom wybór jednego z trzech poziomów twardości foteli. Oprócz ergonomicznego dopasowania, fotele charakteryzują się niższą wagą, unikalnym designem, zwiększonym komfortem i pasywną kontrolą klimatu.
Produkcja przyrostowa oferuje duży zakres wytrzymałych, wysokotemperaturowych materiałów, metod oraz możliwości konstruowania wyjątkowo skomplikowanych kształtów. Jest wykorzystywana między innymi do testowania wielu opcji projektowych oraz do produkcji części na zamówienie. Druk 3D jest również wykorzystywany do renowacji klasycznych samochodów i odtwarzania części na rynku wtórnym.
Opieka medyczna
Zastosowanie druku 3D w medycynie i stomatologii jest bardzo powszechne – drukuje się m.in. tkanki i narządy, modele anatomiczne, a w stomatologii modele łuków zębowych, koron i mostków. Druk 3D prawdopodobnie stanie z czasem główną technologią wykorzystywaną w produkcji stomatologicznej. Producenci sprzętu medycznego wykorzystują różne sztywne, elastyczne, nieprzezroczyste i przezroczyste materiały do druku 3D, tworząc projekty, które są bardziej konfigurowalne niż dotychczas. Implanty i aparaty stomatologiczne mogą być wytwarzane za pomocą druku 3D z uwzględnieniem potrzeb konkretnego pacjenta.
Podczas gdy części ciała ludzkiego nie mogą być obecnie drukowane w 3D, możliwe jest drukowanie sztucznych tkanek, które przypominają prawdziwe tkanki. Jak podaje Nature Biology, postęp, taki jak biodrukowanie, umożliwił tworzenie skomplikowanych, funkcjonujących żywych tkanek za pomocą druku 3D z użyciem biokompatybilnych materiałów, komórek i składników pomocniczych. Dzięki temu struktury takie jak kości, skóra czy narządy mogą być wytwarzane metodą biodrukowania 3D.
Artykuły konsumpcyjne
Sektor towarów konsumpcyjnych już dawno dostrzegł zalety druku 3D w projektowaniu i rozwoju produktów. Szeroka gama zastosowań druku 3D wychodzi naprzeciw potrzebom konsumentów. Niektóre z zastosowań obejmują towary sportowe, rekreacyjne i lifestylowe, takie jak obuwie i okulary. Do pozostałych należą drobne przedmioty, takie jak biżuteria, zabawki dla dzieci, czy naprawy wszystkiego, co może się zepsuć. Druk 3D jest również wykorzystywany do budowy domów i samochodów w sposób ekonomiczny i zrównoważony, ponieważ projektowanie domów na komputerze przy użyciu drukarki 3D umożliwia określenie dokładnej liczby materiałów potrzebnych do budowy.
Pozostałe zastosowania
Trudno jest wymienić wszystkie zastosowania druku 3D. Omówiliśmy tylko niektóre z nich, warto wspomnieć jednak o wykorzystaniu druku 3D w zaawansowanych technologiach, takich jak LiDAR, GIS czy AI.
Druk 3D i systemy informacji geograficznej (GIS) mogą na przykład zwiększyć możliwości wizualne w celach dydaktycznych. GIS to narzędzie lub system, który wyświetla i analizuje dane związane z pozycjami na powierzchni Ziemi. Stanowi bazę aplikacji nawigacyjnych, wykorzystujących mapowanie 3D, pomagając użytkownikom w określeniu ich położenia. Jest to szczególnie przydatne dla studentów, wprowadzając ich w podstawowe pojęcia GIS i geografii, w tym mapowanie, projekcję i topologię. Technologia mapowania 3D umożliwia wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego do profilowania przedmiotów i tworzenia ich trójwymiarowych modeli, które mogą być odwzorowane na rzeczywistym środowisku.
Od niedawna skanowanie 3D stosuje się również w smartfonach. LIDAR, technika metody zdalnego pomiaru wykorzystywana do badania powierzchni Ziemi, umożliwia urządzeniom mobilnym uruchamianie aplikacji rozszerzonej rzeczywistości (AR) ze znacznie większą dokładnością. Dzięki zastosowaniu technologii LiDAR w smartfonach, klient korzystający z aplikacji do projektowania wnętrz w rzeczywistości rozszerzonej może wizualizować i „ustawiać” meble wewnątrz pola widzenia kamery, co pozwala na sprawdzenie, jak meble będą wyglądały w danym wnętrzu (patrz zdjęcie poniżej).
Zalety druku 3D
Druk 3D umożliwia testowanie i wizualizację koncepcji przed jej wdrożeniem. To doskonałe rozwiązanie dla wszystkich, którym zależy na sprawdzeniu produktu przed przystąpieniem do produkcji na pełną skalę. Główną zaletą jest więc to, że konsumenci mogą zaprojektować większość towarów przy użyciu komputera i „wyprodukować” je w domu. Jednak lista korzyści jest znacznie dłuższa.
Do największych zalet wytwarzania przyrostowego zaliczaja się:
- redukcja kosztów i czasu produkcji;
- minimalizacja odpadów;
- ograniczenie błędów;
- poprawa jakości opieki zdrowotnej;
- możliwość wytwarzania złożonych części z zaawansowanych materiałów;
- łatwość dostępu;
- elastyczna konstrukcja;
- druk na zamówienie;
- przyjazność dla środowiska;
Druk 3D jako innowacyjna technologia
Coraz więcej firm korzysta z druku 3D, ponieważ jest on dużą konkurencją dla tradycyjnych metod produkcji. Pojawiają się nawet głosy, które mówią, że produkcja przyrostowa zastąpi w końcu tradycyjne techniki produkcji. Niezaprzeczalnie jej zastosowanie z powodzeniem zaczyna wykorzystywać niemal każda branża. Tym bardziej, że wraz z naciskiem na inteligentniejsze rozwiązania i cyfrową produkcję, świadomość dotycząca technologii druku 3D z pewnością będzie rosła.
Polecane produkty
Zmontowane drukarki 3D
Zestawy drukarek 3D do samodzielnego montażu
Drukarka płytek PCB, V-ONE, Voltera
Filamenty do drukarek 3D, RND
