Budowa i zastosowanie drukarek 3D

Budowa i zastosowanie drukarek 3D

Prezentacja

SLA/FDM/inne technologie 3D

Autorzy: Kacper Zabłudowski, Łukasz Rondoś, Tomasz Pedersen, Jakub Mikulski

Drukowanie 3D - inaczej drukowanie przestrzenne, które polega na wytwarzaniu fizycznego obiektu poprzez nanoszenie kolejnych warstw materiału do druku np. plastikowej żyłki, żywicy czy proszku, w zależności od technologii.Druk 3D jako nowa technika wytwórcza została opracowana w 1984 roku przez Amerykanina Charlesa Hulla i nosiła nazwę stereolitografii. Polegała na tym, że wiązka lasera utwardzała w selektywny sposób żywicę światłoutwardzalną, tworząc w ten sposób obiekt przestrzenny.

Drukowanie 3D - definicja

Podział

Rodzaje drukowania 3D

Metoda przyrostowa - to taka, dzięki której obiekty, przedmioty, rzeczy powstają poprzez budowaniu ich warstwa po warstwieMetoda ubytkowa - gdzie z bryły materiału jest usuwany narzędziami skrawającymi jego naddatek, tworząc w ten sposób docelowy model

Drukowanie 3D - podział

Budowa i zastosowaniedrukarki 3d - sla

Technologia SLA

Technologia SLA - stanowi jedną z podstawowych, a zarazem najstarszą metodę druku 3D na świecie. Stereolitografia należy do grupy technik druku 3D, które wykorzystują proces fotopolimeryzacji. Budowany obiekt powstaje wskutek selektywnego utwardzania żywicy fotopolimerowej światłem lasera.

Technologia SLA

+INFO

RODZAJ TECHNOLOGIIdruku 3d

Najpopularniejsze rodzaje:

• FDM – termoplastyczny materiał wyciskany przez dysze• MJP – napylany cienkimi warstwami fotopolimer utwardzany światłem UV • CJP – gipsowy proszek barwiony tuszem (druk 3D w kolorach) • DLP – utwardzanie materiałów światłoczułych (fotopolimerów) za pomocą światła projektora • SLA – żywice utwardzane są za pomocą lasera • SLS – cienkie warstwy proszku budulcowego stapiane laserem • DMLS – proszki metali topione laserem dużej mocy. Druk 3D z metalu • Binder Jetting – proszki metaliczne lub proszki piasku są łączone za pomocą ciekłego spoiwa

Animacja techniki SLA

01

02

03

Modelowanie

Wykończenie

Drukowanie

Programy komputerowe

Drukarka 3D

Obróbka wydruku

Proces drukowania 3D

Powierzchnie wydrukowanych części są porowate, dlatego przedmioty poddaje się jeszcze obróbce wykończeniowej

Przed rozpoczęciem druku należy sprawdzić poprawność trójwymiarowego modelu

Trójwymiarowe modele można stworzyć, wykorzystując programy komputerowe typu CAD

2006

1984

Chuck założył firmę, która zajęła się komercyjną produkcją pierwszych drukarek 3D

Adrian Bowyer

Pierwsza technika drukowania przestrzennego

1986

Zbudował pierwszy prototyp drukarki 3D z przeznaczeniem dla użytkowników domowych

Opracowanie Stereolitografii (SLA)przez Chucka Hulla

3D Systems i opatentowanie SLA

Zasada działania technologii SLA

Budowa modelu przestrzennego polega na polimeryzacji (fotoutwardzaniu) ciekłej żywicy wiązką lasera. Żywica znajduje się w zbiorniku, do którego zanurza się platforma (stół roboczy), do którego przywiera pierwsza warstwa utwardzonej żywicy, będąca podstawą drukowanego modelu. Następnie model unosi się, a tzw. zgarniacz nanosi i wyrównuje kolejną warstwę żywicy. Platforma zanurza się w niej ponownie, jednakże opuszcza się na wysokość zadanej warstwy. Proces się powtarza i wiązka lasera utwardza kolejną warstwę modelu.

Technologia SLA

+FILM

Technologia SLA

Zasada działania technologii SLA

"ODWRÓCONA" technologiA SLA

Istnieje też „odwrócona” technologia SLA, gdzie światło lasera jest eksponowane poprzez kwarcową płytkę na stolik osi Z, który w trakcie przyrostu warstw podnosi się do góry. W ten sposób budowane elementy zwisają ze stołu i żywica ma dużo czasu na ścieknięcie do kwarcowej kuwety. Sposób ten gwarantuje również możliwość budowania części z mniejszych warstw, rzędu setnych milimetra.

Odwrócona technologia SLA

+INFO

Zalety i wady SLA

duża dokładność drukowanych geometrii

niska szybkość procesu

możliwość budowania bardzo cienkich ścianek

konieczność naświetlania po wydruku

możliwość drukowania elementów przezroczystych lub półprzezroczystych

podpory budowane z materiału rodzimego trudne do usunięcia

Technologia SLA

możliwość klejenia kilku modeli z wykorzystaniem tej samej żywicy

konieczność ochrony skóry podczas pracy z nieutwardzoną żywicą

wysoka dokładność wymiarowa - szeroka gama materiałów

niska żywotność laserów

Zastosowanie SLA

ogólne prototypowanie

prototypy części AGD/RTV

produkty medyczne: wkładki do aparatów słuchowych, modele ortodontyczne, modele anatomiczne, zindywidualizowane narzędzia operacyjne

Technologia SLA

produkcja dzieł sztuki i wyrobów artystycznych

Budowa i zastosowaniedrukarki 3d - POLYJET

Technologia POLYJET

Technologia POLYJET - polega na drukowaniu elementów z ciekłych żywic fotopolimerowych utwardzanych światłem UV. Podobnie jak w przypadku tradycyjnych drukarek atramentowych, piezoelektryczne głowice drukujące natryskują na platformę roboczą kolejne warstwy ciekłego światłoutwardzalnego fotopolimeru, który następnie pod wpływem światła ultrafioletowego (UV) ulega utwardzeniu. Proces ten, który wykorzystywany jest również w technologii SLA, nosi nazwę fotopolimeryzacji. Technologia PolyJet została opracowana przez firmę Objet (obecnie Stratasys).

Technologia POLYJET

Info

Zasada działania technologii PolyJet

Cały proces drukowania elementów składa się z następujących po sobie etapów:

Zasada działania technologii PolyJet bazuje na tradycyjnych wielkoformatowych drukarkach 2D.Na początku materiał w formie płynnej żywicy podgrzewany jest do temperatury 30-60°C, co pozwala na uzyskanie jej optymalnej lepkości. W kolejnym etapie piezoelektryczne głowice drukujące, która przemieszczają się bezpośrednio nad platformą roboczą, natryskują rozgrzaną żywicę, tworząc tym samym pierwszą warstwę materiału. Umieszczone na głowicy drukującej źródło światła UV utwardza naniesiony wcześniej materiał, co prowadzi do jego krzepnięcia i uzyskania gotowego fragmentu (warstwy) drukowanej części. Po zakończeniu etapu układania i budowa danej warstwy elementu, platforma robocza obniża się w dół o wartość odpowiadającą jej wysokości, a cały proces powtarza się aż do momentu uzyskania pełnej geometrii drukowanej części.

Technologia POLYJET

technologia POLYJET

Cechy charakterystyczne

Wydrukowany w technologii PolyJet model zbudowany jest z materiału modelowego oraz natryskiwanego przez oddzielną grupę głowic drukujących materiału podporowego. Wykorzystywana w tym celu specjalna żywica po zestaleniu i zakończeniu procesu wydruku może zostać usunięta przy użyciu myjki wysokociśnieniowej lub rozpuszczona w specjalnym roztworze o odczynie zasadowym. Wartym podkreślenia jest również fakt, iż oferowane przez producenta drukarki 3D mogą pracować w 3 trybach: – HS (ang. High Speed), odznaczającym się dużą szybkością wydruku części, – HQ (ang. High Quality), wydrukiem elementów o niższej prędkości ale o bardzo dużej dokładności, dzięki zastosowaniu wysokości warstwy materiału 16 µm, – DM (ang. Digital Material), umożliwiającym łączenie ze sobą różnych materiałów.

Cechą charakterystyczną technologii PolyJet, w odróżnieniu od pozostałych metod szybkiego prototypowania, jest możliwość nakładania materiału w sposób ciągły z różnych grup głowic drukujących. Tego typu rozwiązanie pozwala na kontrolowanie ilości dozowanych materiałów, a sam proces drukowania elementu jest stosunkowo prosty. Dodatkowo każda z nałożonych warstw materiału zostaje w pełni usieciowiona oraz naświetlona, co w przeciwieństwie do innych metod wykorzystujących ciekłe fotopolimery (SLA,DLP), eliminuje konieczność powtórnego naświetlania elementu po wydruku.

Technologia POLYJET

Zasada działania technologii DMLS

Technologia DMLS (ang. Direct Metal Laser Sintering), podobnie jak technologia SLS, należy do grupy technologii typu Powder Bed, których cechą charakterystyczną jest selektywne spiekanie kolejnych warstw proszku. Rozwijana przez firmę EOS od ponad 20 lat stanowi jedną z głównych, a obecnie także najpopularniejszych technologii wytwarzania przyrostowego. Idea początkowego wykonywania prototypów oraz modeli testowych z metalu, przekształciła się w profesjonalną technologię produkcyjną, która umożliwia wykonywanie obiektów o skomplikowanych kształtach i złożonych geometriach. Cechą charakterystyczną technologii DMLS są powtarzalne i wysokie parametry wytrzymałościowe budowanych elementów, umożliwiające realizację dużej liczby przemysłowych oraz medycznych wdrożeń produkcyjnych.

Technologia DMLS

Różnice pomiędzy technologiami DMLS i SLM

Różnicą pomiędzy technologiami są ograniczenia patentowe, które odnoszą się do nazewnictwa metod jako znaków handlowych poszczególnych firm. Za pierwotnego twórcę technologii przyrostowej z proszków metali uznawana jest firma EOS. Producenci maszyn podobnych technologii, takich jak SLM czy LC (ang. Laser Cusing), zobowiązani są więc do dokonywania opłaty patentowej firmie EOS. Dodatkowo firmy mogą korzystać z własnych rozwiązań, dzięki czemu występują różne warianty tej samej technologii. Jako przykład może służyć wykorzystywany w maszynach SLM gumowy recoater (zgarniacz), w odróżnieniu od stalowego lub ceramicznego stosowanego w technologii DMLS. Obecnie często stosowanym terminem, odnoszący się do obu procesów, jest druk 3D z metalu. Zarówno DMLS, jak i również SLM znajdują szerokie zastosowanie w produkcji wytrzymałych i precyzyjnych modeli oraz pełnowartościowych finalnych elementów i części użytkowych dla różnych gałęzi przemysłu

Technologia DMLS oraz SLM (ang. Selective Laser Melting) to dwie metody wytwarzania przyrostowego z proszków metali, które należą do grupy technologii typu Powder Bed. Obie z nich wykazują do siebie wiele podobieństw. Po pierwsze wykorzystują laser do skanowania kontur danej warstwy materiału oraz przetapiania (łączenia ze sobą) cząsteczek proszku metalowego. Po drugie, podobnie jak w przypadku pozostałych technologii przyrostowych, budowany obiekt powstaje w wyniku nakładania i łączenia kolejnych warstw materiału. Ponadto w obu procesach przetwarzany jest metal w formie proszku lub granulek.

Technologia DMLS i SLM

Technologia SLS (ang. Selective Laser Sintering)

Selektywne spiekanie laserowe proszków polimerowych

Wykorzystywany w metodzie laser spieka cząsteczki sproszkowanego termoplastycznego polimeru, łącząc go następnie w kolejne warstwy.Technologia SLS znajduje szerokie zastosowanie, zarówno w prototypowaniu, jak i również w małoseryjnej produkcji funkcjonalnych części z tworzyw sztucznych o dobrych właściwościach mechanicznych. Obecnie spośród wszystkich dostępnych technologii druku 3D jest najczęściej wykorzystywaną z metod w małoseryjnej produkcji części finalnych maszyn i urządzeń technicznych. Duża swoboda projektowania, wysoka dokładność wykonanych elementów oraz produkcja części o dobrych właściwościach mechanicznych sprawiają, iż technologia SLS zyskuje na coraz większym znaczeniu ze strony przemysłu.

Technologia SLS

02

03

01

Rozprowadzanie następnej warstwy proszku

Naświetlanie warstwy proszku

Przygotowanie obszaru roboczego

Recoating

Podgrzewanie

Selektywne spiekanie

Po zakończeniu procesu selektywnego spiekania cząsteczek proszku polimerowego, platforma robocza przesuwa się w dół, po czym za pośrednictwem recoatera zostaje nałożona nowa warstwa niespieczonego proszku. Czynność ta powtarza się aż do momentu uzyskania pełnej geometrii elementu. Cały proces przyrostowy odbywa się ponadto w atmosferze gazu ochronnego – azotu, aby nie doprowadzić do spalenia materiału.

W kolejnym etapie skupiona wiązka lasera pracującego w paśmie długiej podczerwieni (najczęściej CO2) skanuje kontur danej warstwy materiału i selektywnie spieka (łączy ze sobą) cząsteczki proszku polimerowego. Promień lasera, zanim trafi na dwa zwierciadła skanera galwanometrycznego, jest wstępnie powiększany. Takie rozwiązanie zapobiega uszkodzeniu zwierciadeł przez skupioną energię wiązki lasera. Po odbiciu się od zwierciadeł promień przechodzi w dalszej fazie przez soczewkę pola płaskiego typu F-theta i jest skupiany na powierzchni rozprowadzonego wcześniej proszku. Poprzez ruch zwierciadeł następuje skanowanie kontur danej warstwy materiału i jego selektywne spiekanie. Skanowanie całego przekroju komponentu warunkuje uzyskanie jego wysokiej wytrzymałości po zakończonym procesie przyrostowym.

W pierwszej fazie pojemnik z proszkiem oraz obszar roboczy drukarki 3D są wstępnie podgrzewane poniżej temperatury topnienia wykorzystywanego w procesie przyrostowym polimeru. Recoater (zgarniacz) rozprowadza cienką warstwę proszku na platformie roboczej maszyny.

Technologia SLS

CZYSZCZENIE

Po zakończeniu procesu przyrostowego, wydrukowane elementy znajdują się w pojemniku wraz z niespieczonym materiałem polimerowym. Ich rozpakowanie wymaga wcześniejszego ostygnięcia pojemnika z elementami, co może potrwać nawet do 12 h. Po ich wypakowaniu oczyszcza się je za pomocą sprężonego powietrza lub innego środka czyszczącego. Tak przygotowane elementy są już gotowe do użycia lub mogą zostać poddane dodatkowej obróbce. Niespieczony proszek zostaje odzyskany i może być częściowo ponownie użyty w kolejnym procesie przyrostowym. W przypadku technologii SLS jest on w około 50% ponownie przetwarzany.

Technologia SLS

+FILM

BUDOWA I ZASTOSOWANIE DRUKARKI 3D - FDM

FDM (osadzanie topionego materiału) - jedna z metod rapid prototyping. W metodzie tej nanoszony materiał (zwykle tworzywo sztuczne) przeciskany jest przez dyszę, ogrzaną do temperatury jego topnienia. Dysza kontroluje przepływ materiału i jest przemieszczana automatycznie według instrukcji programu CAM. Podobnie jak przy stereolitografii, model wytwarzany jest warstwa po warstwie. 1 – dysza kontrolująca wypływ roztopionego tworzywa 2 – osadzony i zastygnięty materiał (modelowana część) 3 – kontrolowany ruchomy stół

Technologia FDM

PRZebieg procesu fdm

Metoda FDM bazuje na wytłaczaniu tworzywa termoplastycznego z gorącej dyszy (poruszającej się wzdłuż osi X i Y), z którego warstwowo budowany jest model. Materiał- zwany filamentem- podawany jest w postaci okrągłej żyłki, który w dyszy jest zamieniany w stan półpłynny, a następnie jest układany na stole roboczym (mającym możliwość poruszania się w płaszczyźnie Z). Za zaciąganie filamentu odpowiedzialny jest ekstruder- mechanizm składający się z koła zębatego i łożyska. Nałożona warstwa materiału praktycznie od razu zastyga i łączy z pozostałymi warstwami. Urządzenia w tej metodzie są sterowane numerycznie- regulowane jest m.in. podawanie materiału przez dyszę, a także jej temperatura i inne parametry przetwarzania. W celu zapewnienia nieprzerwanego podawania filamentu do głowicy, często jest on podawany przez rurkę. Pierwszym etapem drukowania jest wykonanie modelu 3D i zapisanie go w pliku STL. Następnie specjalne oprogramowanie przygotowuje plik do wydruku- ustala jednostki (milimetry lub cale), orientuje obiekt w komorze roboczej (możliwe jest ustawienie kąta pochylenia z dokładnością do 1°), dzieli na warstwy i tworzy konstrukcje podporowe. Wybór orientacji modelu ma bardzo duże znaczenie- wpływa na jego właściwości wytrzymałościowe oraz na to, ile materiału zostanie przeznaczone na wytworzenie podpór. Pozbycie się podpór po zakończeniu procesu drukowania odbywa się poprzez rozpuszczenie materiału lub mechaniczne wyłamanie. Wyłamanie odbywa się zwykle z zastosowaniem szczypiec, musi być wykonywane ostrożnie, aby nie uszkodzić modelu. Zastosowanie materiałów rozpuszczalnych ma tę zaletę, że model może zawierać głębokie rowki czy wąskie szczeliny, do których nie mają dostępu szczypce. Do rozpuszczania służą specjalne urządzenia. Mają one podgrzewany zbiornik, który generuje temperaturę ok. 70°C, przepływającym czynnikiem jest zasadowy roztwór wodny. Po takim zabiegu model płucze się w czystej wodzie, a następnie osusza.

Technologia FDM

Zalety i wady FDM

łatwe w użyciu

mała wytrzymałość

nieskomplikowana konstrukcja

brak gładkości powierzchni

nie wymaga czyszczenia, a serwisowanie odbywa się okresowo

brak możliwości podmiany materiały w trakcie druku

Technologia FDM

szeroki wybór materiałów

Dziękuję za uwagę