Definicja: wytwarzanie przyrostowe
W języku branżowym druk 3D nazywa się wytwarzaniem przyrostowym (ang. additive manufacturing, AM). Norma terminologiczna ISO/ASTM 52900 opisuje je jako budowanie części na podstawie danych modelu 3D przez łączenie materiału, zwykle warstwa po warstwie. Przemysł częściej używa nazwy „wytwarzanie przyrostowe”, a w codziennym języku przyjęło się określenie „druk 3D”. W praktyce oba terminy oznaczają to samo.
Najłatwiej zrozumieć tę metodę przez porównanie z dwiema tradycyjnymi. Obróbka ubytkowa, na przykład frezowanie lub toczenie, zaczyna od bloku materiału i usuwa wszystko, co zbędne. Formowanie, na przykład wtrysk tworzywa lub odlewanie, wymaga najpierw wykonania formy, do której trafia materiał. Druk 3D robi odwrotnie niż frezarka: dodaje materiał tylko tam, gdzie ma być część, i nie potrzebuje formy.
| Metoda | Jak powstaje kształt | Kiedy się opłaca |
|---|---|---|
| Wytwarzanie przyrostowe (druk 3D) | Materiał jest dodawany warstwa po warstwie według modelu 3D | Pojedyncze sztuki, krótkie serie, złożone kształty, szybkie zmiany projektu |
| Obróbka ubytkowa (frezowanie, toczenie) | Nadmiar materiału jest usuwany z większego bloku | Wysoka dokładność i gładkie powierzchnie, metale, części o prostszej geometrii |
| Formowanie (wtrysk, odlewanie) | Materiał wypełnia wcześniej wykonaną formę | Duże serie identycznych części, gdy koszt formy rozkłada się na wiele sztuk |
Jak przebiega proces: od modelu do części
Niezależnie od technologii druk 3D przebiega w podobnych krokach. Pierwszy to cyfrowy model 3D, zaprojektowany w programie CAD, pobrany z biblioteki albo uzyskany ze skanu. Model zapisuje się w formacie wymiany, najczęściej STL, 3MF lub STEP. Różnice między nimi opisuje strona formaty plików.
- Model 3D: geometria części zapisana w pliku, zamknięta i w realnej skali.
- Slicer: program dzieli model na cienkie warstwy, dodaje podpory i wypełnienie, a następnie zapisuje instrukcje ruchu dla maszyny.
- Druk: maszyna buduje część warstwa po warstwie, co trwa zwykle godziny, a przy dużych częściach nawet dni.
- Obróbka po wydruku: usunięcie podpór, czyszczenie, czasem szlifowanie, malowanie lub utwardzanie, zależnie od technologii.
W usłudze druku większość tych kroków wykonuje wykonawca. Klient przesyła plik, wybiera materiał i dostaje cenę. W Fabrix3D wycena powstaje automatycznie z pliku, a szczegóły tego procesu opisuje strona jak to działa.
Główne rodziny technologii druku 3D
Komitet ASTM F42, a dziś wspólna norma ISO/ASTM 52900, dzieli wytwarzanie przyrostowe na siedem kategorii procesów: wytłaczanie (ekstruzję) materiału, fotopolimeryzację w wannie, stapianie w złożu proszku, strumieniowe nanoszenie materiału, strumieniowe nanoszenie spoiwa, laminowanie arkuszy i osadzanie z ukierunkowaną energią (DED). Klient usług druku spotyka zwykle trzy z nich, a jako czwartą grupę wymienia się często druk metalu, realizowany głównie przez stapianie proszków metali. Historię tej technologii opisuje poradnik Historia druku 3D.
Wytłaczanie materiału, znane jako FDM lub FFF, przeciska roztopione tworzywo termoplastyczne przez podgrzewaną dyszę i układa je ścieżkami. Materiałem jest filament nawinięty na szpulę. To najtańsza i najbardziej rozpowszechniona technologia, dobra do prototypów i części użytkowych. Ma widoczne linie warstw, a jej wytrzymałość zależy od kierunku warstw. Szczegóły opisuje artykuł jak działa druk FDM.
Fotopolimeryzacja, czyli stereolitografia (SLA) i jej odmiany z projektorem DLP lub maską LCD, utwardza ciekłą żywicę światłem ultrafioletowym, warstwa po warstwie. Po każdej warstwie platforma przesuwa się, a świeża warstwa żywicy pokrywa poprzednią. Zwykle pozwala uzyskać drobniejszy detal i gładszą powierzchnię niż FDM, dlatego bywa wybierana do małych modeli wzorniczych. Wydruki z żywicy wymagają po druku mycia i dodatkowego utwardzenia, a materiały różnią się od termoplastów używanych w FDM.
Spiekanie proszków obejmuje selektywne spiekanie laserowe (SLS) i technologię Multi Jet Fusion (MJF). W SLS laser stapia cząstki proszku, najczęściej poliamidu, w kolejnych przekrojach. W MJF głowica atramentowa natryskuje na warstwę proszku środek stapiający i środek zwiększający ostrość krawędzi, a źródło ciepła, zwykle promiennik podczerwieni, łączy cząstki. Część otacza niespieczony proszek, więc podpory nie są potrzebne. Druk metalu działa podobnie jak spiekanie proszku, tylko z użyciem proszków metali i lasera lub wiązki elektronów o dużej mocy; to metoda przemysłowa, dużo droższa od druku z tworzyw.
Zalety druku 3D
Największą zaletą jest brak formy i oprzyrządowania. Pierwsza sztuka kosztuje tyle samo co dziesiąta, więc druk 3D pozwala szybko sprawdzić projekt, poprawić go i wydrukować ponownie. Zmiana modelu nie wymaga nowej formy, tylko nowego pliku. Krótkie serie produkcyjne z druku 3D omawia osobny poradnik Krótkie serie produkcyjne z druku 3D.
- Swoboda kształtu: druk radzi sobie z wnętrzami pustymi, kanałami i strukturami kratowymi, które trudno wykonać ręcznie lub frezując.
- Mniej odpadu: materiał trafia głównie tam, gdzie ma być część, choć podpory i obróbka też generują straty.
- Krótki czas realizacji: od pliku do części mija zwykle dużo mniej czasu niż przy zamawianiu formy lub obróbki CNC.
- Personalizacja: każda sztuka w serii może być inna, bo maszyna nie potrzebuje przezbrojenia.
- Lekkie konstrukcje: wypełnienie wewnętrzne i żebrowanie pozwalają ograniczyć masę części.
Inna jest też struktura kosztu. W produkcji z formą większość wydatków ponosi się z góry, zanim powstanie pierwsza sztuka. W druku 3D cena zależy głównie od ilości materiału, czasu pracy maszyny i obróbki po wydruku, więc łatwo ją oszacować dla każdego pliku osobno. Dlatego usługi druku mogą podać cenę od razu po przesłaniu modelu, bez spotkania i bez rysunku wykonawczego. Szczegóły tego, co wpływa na cenę, opisuje artykuł ile kosztuje druk 3D.
Ograniczenia, o których warto wiedzieć
Druk 3D nie jest technologią bez wad. Warstwowa budowa daje efekt schodkowy na pochyłych i zakrzywionych powierzchniach. W wielu technologiach trzeba usuwać podpory, a powierzchnia prosto z maszyny bywa niewystarczająca do zastosowań estetycznych, więc konieczne jest szlifowanie, wygładzanie lub malowanie. Czas druku jednej części liczy się w godzinach, a nie w sekundach jak przy wtrysku.
Wydruki, szczególnie w technologii FDM, są anizotropowe: najsłabiej znoszą obciążenie w poprzek warstw. Dokładność wymiarowa zależy od technologii, maszyny, materiału i geometrii. Ciepło i skurcz materiału mogą powodować odkształcenia, dlatego tam, gdzie liczą się dokładne pasowania, część zwykle sprawdza się na pierwszej sztuce. Wskazówki projektowe zebraliśmy w poradniku projektowanie części do druku FDM.
Do czego druk 3D nadaje się dziś
Druk 3D jest dziś narzędziem produkcyjnym, a nie tylko ciekawostką. Najczęstsze zastosowania łączy jedno: liczba sztuk jest mała, a projekt często się zmienia. Przykłady zebraliśmy w sekcji zastosowania.
- Prototypy: makiety, modele do sprawdzenia kształtu i prototypy funkcjonalne do testów montażu.
- Przyrządy i uchwyty produkcyjne: szablony, pozycjonery i osłony dopasowane do konkretnego stanowiska.
- Części zamienne: elementy, których nie da się już kupić, odtworzone z modelu lub z pomiaru.
- Krótkie serie: obudowy, adaptery i elementy w liczbie, przy której forma wtryskowa się nie opłaca.
O doborze tworzywa do zastosowania przeczytasz na stronie materiały. Od materiału zależy, czy część zniesie wilgoć, słońce, temperaturę lub ścieranie.
Czego druk 3D nie zastąpi
Przy dużych seriach identycznych części formowanie wtryskowe pozostaje szybsze i tańsze w przeliczeniu na sztukę, bo cykl trwa sekundy, a koszt formy rozkłada się na tysiące wyrobów. Obróbka skrawaniem daje lepszą dokładność i gładkość powierzchni oraz pełną wytrzymałość metalu, czego druk z tworzyw nie zapewni. Do części krytycznych dla bezpieczeństwa wydruk wymaga osobnej walidacji.
Rozsądne podejście to traktowanie druku 3D jako jednej z metod, a nie zamiennika wszystkich. Prototyp z drukarki pozwala dopracować projekt, zanim zainwestujesz w formę. Krótka seria z druku pokrywa zapotrzebowanie, dopóki sprzedaż nie uzasadni produkcji masowej. Jeśli masz gotowy model, sprawdź koszt w wycenie online. Z obróbką skrawaniem CNC porównuje druk 3D poradnik Druk 3D czy CNC.
Wybór między technologiami druku też ma znaczenie. Gdy liczy się niski koszt, wytrzymała część z tworzywa termoplastycznego i szybki termin, zwykle wystarcza FDM. Gdy model jest mały, ma bardzo drobny detal i powierzchnię, która musi być gładka bez obróbki, lepiej sprawdzi się żywica. Gdy potrzebna jest seria złożonych części z poliamidu bez śladów po podporach, warto rozważyć spiekanie proszków. Druk metalu ma sens dopiero wtedy, gdy część musi być metalowa, a jej kształtu nie da się rozsądnie wykonać obróbką.