Druk 3D – zastosowania w przemyśle

Druk 3D przeszedł w ostatnich latach ogromną metamorfozę. Dzięki wygaśnięciu patentów z zamkniętej gałęzi biznesu przerodził się w technologię dostępną dla mas. W Polskich mediach drukowanie przestrzenne jest przedstawiane jako narzędzie dla hobbystów, majsterkowiczów czy naukowców i zwykle (niestety) pomija się jego zastosowania w przemysłowe. Przykłady wdrożeń tej technologii ukazują jednak jej ogromny potencjał. Dlaczego warto wyposażyć linię produkcyjną w drukarkę 3D? Na to pytanie odpowiada Sygnis New Technologies na przykładzie skutecznych wdrożeń.

 

Praca od podstaw

Na wstępie warto opisać różnice pomiędzy dwoma najbardziej popularnymi technologiami druku 3D: FDM i DLP. Zależnie od tego, jaki ma być produkt finalny oraz jakie będzie jego zastosowanie, wybiera się jedną z tych dwóch metod.

 

Park maszynowy Grupy Technologicznej Sygnis (źródło: Sygnis New Technologies)

 

FDM (fused deposition modeling)

FDM to najpopularniejsza i najtańsza technologia druku 3D. Polega ona na wytłaczaniu przetopionego materiału – filamentu – warstwa po warstwie aż do utworzenia kompletnych modeli. Podczas drukowania filament z tworzywa sztucznego przechodzi przez gorącą dyszę, gdzie tworzywo staje się na tyle plastyczne, aby można je było precyzyjnie wytłoczyć za pomocą głowicy drukującej.

 

Stojak na probówki wydrukowany w technologii FDM (źródło: Sygnis New Technologies)

 

DLP (digital light processing)

Metoda DLP polega na utwardzaniu materiałów światłoczułych (fotopolimerów) za pomocą światła projektora. W bardzo podobnej technologii – SLA (stereolitografii) – materiały są utwardzane za pomocą lasera. Różnica polega na tym, że w SLA utwardza się żywicę w jednym punkcie, podczas gdy w DLP utwardza całą warstwę żywicy jednocześnie. W ten sposób w DLP tworzy się modele, łącząc kolejne warstwy.

Co odróżnia obie metody druku 3D? Podstawowe wyznaczniki to:
● jakość wykończenia,
● wytrzymałość części,
● koszt produkcji.

 

Okulary wydrukowane w technologii DLP (źródło: Sygnis New Technologies)

 

Jakość wykończenia

Druk 3D FDM jest ograniczony rozmiarem dyszy, a druk 3D DLP – gęstością pikseli źródła światła (projektora). Za pomocą drukarki DLP można stworzyć wydruki o znacznie wyższej rozdzielczości.

 

Wytrzymałość części a filament

Dzięki metodzie DLP uzyskuje się części delikatniejsze niż te stworzone za pomocą druku FDM. Jednak jest to uzależnione od zastosowanego materiału. Warto dodać, że wybór materiałów do drukarek DLP jest bardziej ograniczony. W przypadku wydruków FDM sytuacja wygląda o wiele lepiej i istnieje bardzo szeroki wybór filamentów. Drukarki FDM zwykle wykorzystują takie filamenty, jak: PLA, PETG czy ABS.

 

Porównanie wydruków w technologii FDM i DLP (źródło: Sygnis New Technologies)

 

Koszt

Na rynku jest szeroki wybór drukarek FDM na każdą kieszeń, których ceny zaczynają się już od kilkuset złotych. Przykładowo, flagowy produkt firmy FlashForge – drukarka Dreamer wyposażona w dwie głowice – kosztuje już niecałe 4000 zł. Ceny szpul filamentu zaczynają się od około 60 zł za kilogram. To sprawiło, że zakup drukarki stał się możliwy dla wielu osób, które chcą np. drukować w domu.

Drukarki DLP są znacznie droższe niż urządzenia FDM. To samo dotyczy żywic, których koszt jest odpowiednio wyższy niż w przypadku szpul filamentu.

 

Zastosowanie drukarek FDM i DLP

Przed wyborem maszyny trzeba więc przemyśleć trzy kwestie: dokładność, wykończenie i budżet. Jeśli ma się do dyspozycji większe środki i planuje się uzyskać wysoko precyzyjne wydruki o gładkim wykończeniu, najlepszym wyborem będzie drukarka DLP. Przy ograniczonych środkach finansowych polecany jest wybór drukarki FDM.

Druk FDM najlepiej nadaje się do:
● tworzenia szybkich prototypów,
● budowania tanich modeli,
● użytku hobbystycznego.

Druk DLP służy do:
● tworzenia skomplikowanych detali o niskiej chropowatości powierzchni,
● tworzenia form do odlewania w celu ułatwienia produkcji masowej (np. do produkcji biżuterii lub zabawek).

 

Drukarka 3D Dreamer (źródło: FlashForge Polska)

 

Dlaczego warto się wyposażyć w drukarkę 3D?

W ostatnim czasie firma Volvo nawiązała współpracę z jednym z liderów rynku druku 3D z polimerów, firmą Stratasys, co pozwoliło skrócić czas produkcji niektórych elementów aż o 94%. Teraz, zamiast czekać 30 dni na zestaw metalowych narzędzi do montowania najnowszych modeli ze stajni szwedzkiego producenta, inżynierowie mogą uzyskać nowy zestaw już w 2–3 dni. Do tego koszty produkcji także znacząco spadły: ze 113 euro/cm3 do 1 euro/cm3.

General Electric wytwarza metodą druku 3D elementy silników turboodrzutowych. Ich masa jest mniejsza o 50%, co przyczynia się do redukcji zużycia paliwa. Począwszy od tego roku, największe samoloty pasażerskie (Airbus 320neo, Boeing 737MAX, COMAC C919) będą wyposażone w takie silniki.

Airbus Helicopters oficjalnie wdrożył technologię druku 3D w produkcji wałków zatrzaskowych do drzwi samolotów pasażerskich A350. Wydrukowane w 3D elementy są tańsze w produkcji i ważą mniej niż ich odpowiedniki wykonane tradycyjnymi metodami. Dzięki temu Airbus jest w stanie zaoferować samoloty wytwarzane bardziej ekonomicznie i przyjaźnie dla środowiska.

Oprócz produkcji określonych części wspomniane firmy (i wiele innych) wykorzystują potencjał druku 3D do wytwarzania i naprawy specjalistycznych narzędzi, których sprowadzenie lub serwis wiązały się do tej pory z dużymi kosztami.

 

Wydruk z CFR PEEK na drukarce P220 firmy Apium Additive Technologies (źródło: Sygnis New Technologies)

 

Stół roboczy drukarki (źródło: FlashForge Polska)

 

Pierwsze kroki po implementacji druku 3D w firmie

Na wstępie warto się upewnić, czy ma się wszystkie niezbędne narzędzia do druku przestrzennego, takie jak: szpachelka, suwmiarka, cążki, klucze i śrubokręty. Po skompletowaniu sprzętu i akcesoriów można zacząć drukować.

W tym celu potrzebny jest model 3D, który można stworzyć w programach typu CAD lub pobrać z Internetu. Warto zwrócić uwagę na format, w jakim zapisywane są modele. Najczęściej jest to plik .stl. Aby stworzyć plik, który drukarka 3D będzie w stanie odczytać, model 3D musi trafić do tzw. slicera, w którym zostanie poddany niezbędnym modyfikacjom, polegającym przede wszystkim na podzieleniu bryły na poziome warstwy. Przykładowe, darmowe programy tworzące tzw. slicery to: Simplify3D, Cura, slic3r, Z-Suite i FlashPrint (przeznaczony do drukarek firmy Flashforge).

Przed przygotowaniem wydruków należy sprawdzić kalibrację drukarki i ustawienia parametrów druku dla używanego filamentu. Do tych celów najlepiej sprawdzą się:

– kostka kalibracyjna – nadaje się do weryfikacji prawidłowości wymiarów wydruków, przesunięcia między osiami czy wibracji spowodowanych zbyt wysokimi prędkościami; aby sprawdzić dokładność wymiarową, należy zmierzyć ściany kostki, np. suwmiarką; dodatkowo można sprawdzić wibracje (tzw. ringing lub echoing); ostre kąty kostki to miejsca narażone na powstanie wady wydruku – głowica drukarki musi tam nagle zwolnić z dużą precyzją; efekt ghostingu można zredukować, zmniejszając prędkość, przyspieszenie i zrywy (jerki) ruchów drukarki;

– benchy – popularna łódeczka, która stanowi test wielu parametrów – kadłub pokazuje, jak drukarka radzi sobie z chłodzeniem (przy zbyt wysokiej temperaturze wydruk będzie rozszerzony ku dołowi); pokład łódki jest równoległy do powierzchni stołu, źle wydrukowany może świadczyć o problemach z ilością wytłaczanego filamentu; okna i łuki drzwiowe w kabinie są świetnym sprawdzianem dla drukarki 3D pod kątem overhangów i bridge’ów; komin dostarcza informacji, z jaką jakością wytwarzane są okrągłe elementy; otwór i napis z tyłu stateczku pokazują rozdzielczość detali, a napis od spodu pokazuje, czy stół jest dobrze skalibrowany.

Po sprawdzeniu ustawień można przejść do druku właściwych modeli.

 

Benchy, projekt kalibracyjny (źródło: FlashForge Polska)

 

Komentarz doświadczonego technika – Poprawne ustawienia drukarki to nie wszystko. Pomimo dobrego skalibrowania, posiadania narzędzi oraz modeli, mogą się pojawić problemy, które zniechęcą nowego użytkownika do zagłębienia się w technologię druku 3D. Pamiętajmy, że wiele problemów z wydrukami zaczyna się już na poziomie projektu – mówi inż. Piotr Piskorski, technolog prowadzący szkolenia i konsultacje technologiczne w firmie Sygnis New Technologies. Inż. Piotr Piskorski – project manager w Sygnis New Technologies, ekspert w dziedzinie druku 3D, serwisu maszyn i zarządzania procesami technologicznymi

 

Źródło: Sygnis New Technologies