Druk 3D bez tajemnic

Rozmowa z Michałem Brydą-Przybyszewskim, specjalistą ds. marketingu w CadXpert.

Obecnie istnieje wiele dostępnych metod wytwarzania addytywnego, które możemy określić mianem druku 3D. Ale proszę powiedzieć, jak to wszystko się zaczęło?

W Polsce o druku 3D po raz pierwszy usłyszano całkiem niedawno, stąd mylne przeświadczenie, że technologia addytywna popularnie nazywana drukiem 3D to odkrycie z ostatnich lat. Tymczasem pierwsze rozwiązania technologiczne wykorzystujące budowanie obiektu warstwa po warstwie powstawały już w latach 70. XX w., a nawet wcześniej. Umownie za datę narodzin branży druku 3D uważa się rok 1984 i zgłoszenie patentu na stereolitografię przez Charlesa Hulla. Stereolitografia (SLA) to drukowanie 3D z żywic fotopolimerowych, które są utwardzane warstwa po warstwie wiązką lasera. 

Kolejnym kamieniem milowym było wprowadzenie na rynek technologii FDM, której wynalazcą jest Scott Crump, założyciel firmy Stratasys. Crump opracował metodę, która obecnie jest jedną z najpopularniejszych technologii druku 3D. Polega ona na warstwowym napawaniu materiału termoplastycznego dostarczanego do urządzenia w postaci żyłki nawiniętej na szpulę, czyli tzw. filamentu. Często na określenie tej technologii przyrostowej używa się nazwy FFF, co jest związane z tym, że przez długi czas metoda FDM była chroniona wnioskami patentowymi Stratasysa.

W latach 90. technologie przyrostowe były dość mocno rozwijane, również przez jednostki badawcze i naukowe. To w tym czasie powstawały lub stabilizowały się kolejne przedsiębiorstwa, wprowadzające własne urządzenia do druku 3D, takie jak Z Corporation, EOS czy Objet. Prawdziwy boom na druk 3D przyszedł w połowie pierwszej dekady XXI w., gdy na rynku zaczęły pojawiać się pierwsze niskobudżetowe drukarki 3D do amatorskich zastosowań. Na tej fali powstało wielu producentów, którzy funkcjonują do dziś, a także mnóstwo firm, które nie przetrwały starcia z wymaganiami rynkowymi. 

Najczęściej „przerabianą” technologią był właśnie FDM; kolejni producenci upraszczali tę metodę i zmniejszali konstrukcję drukarek, co przełożyło się na zdecydowanie niższy koszt urządzenia. Łatwość obsługi, niska cena materiału i samego urządzenia sprawiły, że drukarki FFF zyskały dużą popularność, co możemy obserwować do dziś. Do Polski ta fala zachwytu nad drukiem 3D przybyła z opóźnieniem, ponieważ o takim intensywnym rozwoju polskiej branży druku 3D możemy mówić dopiero od około 2014 r. 

Warto zdać sobie sprawę, że pierwsze drukarki 3D miały przeznaczenie typowo przemysłowe i służyły jako metoda prototypowania alternatywna do konwencjonalnej produkcji. Do dziś właśnie szybkie prototypowanie należy do głównych zastosowań druku 3D. Chociaż z powodzeniem możemy drukować także części zamienne lub narzędzia.

Wspomniał pan o technologii FDM i SLA. Jakie są jeszcze inne metody druku 3D i czym one się różnią?

Śmiało można powiedzieć, że obecnie znamy nawet 30 lub więcej różnych metod przyrostowego wytwarzania. Nie wszystkie jednak zostały skomercjalizowane lub nie miały na tyle potencjału wytwórczego, by znaleźć swoje miejsce na rynku. Często są to niszowe technologie, wykorzystywane do konkretnych procesów. Przykładem takiej technologii jest metoda LOM, w której drukarka wycina geometrie z nakładanych kolejno arkuszy laminatu lub papieru. 

W przemyśle stosuje się kilkanaście technologii druku 3D o największym potencjale produkcyjnym. Do najpopularniejszych możemy zaliczyć właśnie technologie FDM/FFF, ze względu na łatwość obsługi, dostępność materiałów i bogatą ofertę urządzeń. Na drugim miejscu pod względem powszechności można umieścić stereolitografię oraz podobną do SLA technologię DLP, która różni się tym, że do fotopolimeryzacji używa światła emitowanego przez projektor. Czołówkę zamyka technologia druku 3D z proszków poliamidowych (SLS). Technologia selektywnego spiekania laserowego, której ojcem jest Carl Deckard, była rozwijana mniej więcej w tym samym czasie co dwie pozostałe metody druku 3D. Wszystkie technologie łączy sposób budowania modelu, czyli spajanie kolejnych warstw materiału, stąd nazwa additive manufacturing lub technologia przyrostowa, ponieważ obiekt jest tworzony poprzez dodawanie materiału, a nie usuwanie z bloku, jak w przypadku obróbki skrawaniem.

Najczęściej technologie druku 3D grupuje się według materiałów, z których dana drukarka 3D buduje obiekt. Stąd podział na technologie, w których przetwarzamy tworzywa termoplastyczne (FDM, FFF), druk 3D z żywic polimerowych (SLA, DLP, MJP, PolyJet), spajanie proszków poliamidowych (SLS, MJF, SAF) oraz druk 3D z proszków metalicznych (np. SLM).

Ciekawym przykładem jest technologia PolyJet rozwijana przez Stratasys. Jest to wielomateriałowa technologia druku 3D, w której możemy produkować modele składające się z różnych żywic i kolorów na jednym stole roboczym. Oprócz tego jest to bardzo precyzyjna metoda wytwórcza. Wysokość pojedynczej warstwy, z której powstaje model na drukarce PolyJet może wynosić już od 14 mikrometrów (0,014 milimetra). Dla porównania grubość ludzkiego włosa to ok. 60–80 mikrometrów, czyli nawet 5 razy więcej niż „grubość” warstwy, z jakiej powstaje model w tej technologii. Dzięki temu możemy osiągać bardzo precyzyjne detale, cienkie ścianki i gładkie powierzchnie wydruków.