W ostatnich latach można zaobserwować intensywny rozwój technologii związanych z drukiem 3D, w tym także tych dostępnych w zastosowaniach domowych. Spośród nich można wyróżnić te prostsze, jak roztapianie termoplastów do postaci półpłynnej, jak i te bardzo zaawansowane, jak spiekanie laserem proszków metalicznych. Obszary, gdzie technologie druku 3D są najbardziej użyteczne to te, w których potrzebujemy wytworzyć przedmioty o geometrii trudnej (bądź wręcz niemożliwej) do wytworzenie innymi metodami. Na drukarkach 3D drukuje się najczęściej prototypy przedmiotów, narzędzia, części zamienne, makiety czy modele poglądowe.

Podstawowy podział technologii wytwarzania przedmiotów to podział na technologie addytywne (przyrostowe, ang. AM – Additive manufacturing), w których materiał jest dodawany do wydruku,  najczęściej kolejnymi warstwami oraz technologie subtraktywne (ubytkowe, ang. SM – Subtractive manufacturing) – materiał jest odejmowany od początkowej bryły, np. metodą frezowania.

W przypadku druku 3D wykorzystywana jest technologia addytywna, z nakładaniem materiału warstwa po warstwie. W addytywnym warstwowym druku 3D występuje problem podpierania warstw. W tych miejscach wydruku, w których na niższych warstwach w tym samym miejscu nie ma nanoszonego materiału, to – aby nanoszony materiał miał się na czym wspierać – należy drukować struktury podporowe o kształcie zapewniającym ich w miarę bezproblemowe usuwanie po wydrukowaniu modelu. Problematyczne jest to, że trzeba uważać, aby przy usuwaniu struktur podporowych nie uszkodzić właściwego wydruku. Ponadto podpierane powierzchnie nie są drukowane tak równo jak pozostałe.

Poszczególne technologie druku 3D różnią się od siebie m. in. pod względem:

• rodzaju stosowanego materiału
• technologii nanoszenia materiału
• precyzji druku
• czasu drukowania
• wytrzymałości mechanicznej wydrukowanego przedmiotu

Najbardziej rozpowszechnione są technologie druku, w których materiałem drukującym są:

• termoplasty w postaci żyłki nawiniętej na rolkę
• żywice światłoutwardzalne
• sproszkowany materiał

Do najpopularniejszych technologii druku 3D zalicza się następujące:

• SLA, stereolitografia, druk żywicą fotopolimerową (ang. Stereolithography) – w procesie drukowania utwardza się żywicę światłoczułą przy użyciu wiązki lasera
• FDM/FFF, drukowanie osadzanym półpłynnym termoplastem (ang. Fused Deposition Modelling, Fused Filament Fabrication) – termoplastyczny materiał w formie żyłki roztapiany jest do postaci półpłynnej, wyciskany przed dyszę i układany warstwami, których kontury układają się w końcowy kształt drukowanej bryły
• SLS, spiekanie proszkowe (ang. Selective Laser Sintering) – laser dużej mocy spieka cienkie warstwy sproszkowanego tworzywa sztucznego – poliamidu
• DMLS, spiekanie proszku metalu (ang. Direct Metal Laser Sintering) – technologia drukowania przedmiotów metalowych, w której proszki metali są spiekane w bryłę, laserem o dużej mocy
• CJP, metoda proszkowa, selektywne sklejanie (ang. Color Jet Printing) – jest to technika druku, w której warstwami na przemian nanoszony jest specjalny proszek gipsowy o odpowiednio dobranej granulacji oraz spoiwo łączące te warstwy

Najczęściej za początki rozwoju druku 3D przyjmuje się opatentowanie w roku 1984 stereolitografii przez Charlesa Hulla. Jednakże już w 1979 roku pojawiły się pierwsze drukarki 3D spiekające laserem sproszkowane tworzywo sztuczne (SLS). Na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku w firmie Stratasys skonstruowano pierwszą drukarkę 3D drukującą w technologii FDM, a firma DTM rozpowszechniła technologię SLS. Pod koniec lat dziewięćdziesiątych, po kilku latach badań opracowano metodę druku metalem (DMLS). W 2000 roku za sprawą firmy Z-Corp pojawiła się możliwość drukowania przestrzennego w kolorze. W pierwszych latach XXI wieku dostępne już były drukarki 3D o niedużych gabarytach, które można było przenosić z miejsca na miejsce. W 2005 roku pojawił się projekt open source Reprap, który manifestował rozpoczęcie ery drukarek samoreplikujących się, co w praktyce oznaczało, iż jak najwięcej elementów konstrukcyjnych drukarki powinno się dać wydrukować na drukarce takiej samej jak konstruowana. Wygaśnięcie patentów technologii FDM w 2009 roku spowodowało lawinowy wzrost ilości firm produkujących takie drukarki. Druga dekada XXI wieku to szybkie rozpowszechnianie się standardowych technologii druku 3D, ale także pojawianie się wielu nowych rozwiązań.

Warto dokładniej przedstawić pięć wyżej wymienionych technologii druku 3D, aby zauważyć ich wady i zalety oraz obszary zastosowań.

Stereolitografia (SLA)

Stereolitografia jest technologią druku 3D polegająca na utwardzaniu kolejnych warstw fotopolimeru (żywicy aktywowanej światłem) za pomocą ultrafioletowego światła laserowego. Technologia ta charakteryzuje się w miarę wysoką precyzją druku – osiągalna wysokość warstwy to na ogół 0,025 mm. Ten sposób drukowania sprawdza się dobrze dla modeli wymagających dużej precyzji i dokładności, dlatego chętnie jest wykorzystywany przez jubilerów do tworzenia wzorców biżuterii, także w stomatologii i protetyce oraz w prototypowaniu elementów konstrukcyjnych i obudów dla sprzęt elektronicznego. Ze względu na długi czas druku, wynikający z w miarę dużej precyzji i uwarunkowań technologicznych, w drukarkach SLA drukuje się małe przedmioty.

Oprócz podstawowej technologii w kolejnych latach pojawiły się dwie nowe technologie bazujące na żywicach światłoutwardzalnych:

• DLP – zamiast światła lasera zastosowano światło emitowane przez projektor DLP (Digital Light Processing)
• PolyJet – drukarka na kolejnych warstwach nanosi krople żywicy termoutwardzalnej (podobnie jak drukarka atramentowa krople atramentu na kartkę papieru) i od razu utwardza je światłem UV. Oprócz żywicy drukarka nanosi także wosk, będący materiałem podporowym, który po wydrukowaniu jest usuwany w specjalnej myjce. W technologii tej można uzyskać grubość warstwy na poziomie 0,015 mm.

Główną wadą technologii SLS są niewątpliwie słabe właściwości mechaniczne i termiczne żywic światłoutwardzalnych, co eliminuje tą metodę drukowania z wielu zastosowań.

Rys. 1. Źródło: https://top3dshop.ru/image/data/products/printers/3d_systems/primeri/projet_1200_3-500×500.jpg

Druk termoplastami (FDM/FFF)

Technologia FDM jest najbardziej rozpowszechnioną w zastosowaniach domowych technologią druku 3D. Materiał wykorzystywany w tej technologii to termoplast, nazywany filamentem, dostępny w postaci nawiniętej na rolkę żyłki, o najczęściej spotykanej średnicy 1,75 mm. Jest on wsuwany za pomocą ekstrudera do dyszy drukującej, rozgrzanej do temperatury powyżej 180 ⁰C, a następnie po roztopieniu do postaci półpłynnej nakładany jest warstwami na powstający wydruk. Termoplast (tworzywo termoplastyczne) ulega upłynnieniu w temperaturze 180^O-260^OC, w zależności od zastosowanego filamentu. Wysokość warstwy to na ogół 0,1 do 0,3 mm, ale w bardziej profesjonalnych drukarkach można drukować precyzyjniej, warstwami o grubości nawet 0,02 mm. Stosuje się także drukarki dwugłowicowe, najczęściej po to aby jedna dysza nakładała termoplast, a druga materiał podporowy, który jest rozpuszczalny w wodzie lub w odpowiednim środku chemicznym. Pozwala to w sposób wygodny drukować obiekty o skomplikowanej geometrii. Najnowsze pomysły udoskonalenia druku FDM mają na celu wyjście poza schemat drukowania tylko poziomymi warstwami. W tych nowatorskich rozwiązaniach głowica uzyskuje możliwość nie tylko przemieszczania się w układzie kartezjańskim, ale także obracania i nakładania filamentu na wydruk pod różnymi kątami. Taki sposób drukowania umożliwia znaczne zredukowanie ilości podpór, a nawet całkowite ich wyeliminowanie.

Technologia FDM nie jest technologią w której uzyskuje się największe precyzje druku. Do wad tej technologii należy także zaliczyć występującą często niepowtarzalność wydruków, pojawiającą się wraz  ze zmianą warunków otoczenia, bądź filamentu. Nie bez znaczenia jest także doświadczenie osoby drukującej. Zaletą druku FDM jest na pewno szybko rozszerzająca się oferta różnorodnych filamentów i niski ich koszt.

Technologia FDM, według danych serwisu Statista, była najpopularniejszą techniką druku 3D w 2020 roku – stosowało ją  94% respondentów, korzystających z drukowania przyrostowego, którzy wzięli udział w badaniu (według: https://przemyslprzyszlosci.gov.pl/szwajcarski-sposob-na-druk-3d-metoda-fdm-bez-materialow-nosnych).

Rys. 2. Źródło: https://image.edaily.co.kr/images/photo/files/NP/S/2015/08/PS15080700058.jpg

Najnowsze pomysły udoskonalenia druku FDM mają na celu wyjście poza schemat drukowania tylko poziomymi warstwami. W tych nowatorskich rozwiązaniach głowica uzyskuje możliwość nie tylko przemieszczania się w układzie kartezjańskim, ale także obracania i nakładania filamentu na wydruk pod różnymi kątami.

Sproszkowane tworzywa sztuczne (SLS)

Materiałem z którego powstaje wydruk jest bardzo drobno sproszkowane tworzywo sztuczne o konsystencja mączki. Jest ono rozprowadzane warstwa po warstwie i spiekane wiązką laserową o dużej mocy. Wysokość warstwy w zakresie od 0,06 do 0,15 mm, w połączeniu z dużą precyzją pozycjonowania głowicy laserowej, pozwala na uzyskiwanie wydruków mających gładkie powierzchnie. Niewątpliwą zaletą tej metody drukowania jest to, że nie ma potrzeby stosowania struktur podporowych dla drukowanego obiektu, ponieważ niespieczony proszek jest naturalną podporą. Dlatego bez problemu można drukować obiekty o skomplikowanej geometrii, których wydrukowanie byłoby wysoce kłopotliwe lub nawet niemożliwie stosując inne metody druku 3D. Technologia SLS jest mocno konkurencyjna dla technologii formowania wtryskowego, w przypadku produkcji krótkoseryjnej przedmiotów.

Do zalet tej technologii można zaliczyć to, że wydruki są relatywnie wytrzymałe, a niespieczony proszek można wykorzystać ponownie.

Rys. 3. Źródło: https://www.sync-innovation.com/wp-content/uploads/2019/04/SLS-sample1-1.webp

Sproszkowany metal (DMLS)

W wielu zastosowaniach niezbędnym stało się drukowanie metalowych części i przedmiotów. Naprzeciw temu zapotrzebowaniu przychodzi technologia DMLS. Zasada druku jest podobna do tej stosowanej w przypadku metody SLS, tylko sproszkowane tworzywo sztuczne zastąpiono bardzo drobno sproszkowanym metalem. W procesie drukowania jest on przetapiany warstwa po warstwie wiązką laserową o bardzo dużej mocy, skupioną przez system optyczny. Oczywiście mamy do czynienia z bardzo dużymi temperaturami pojawiającymi się w komorze drukującej. Oprócz standardowej stali drukować można innymi metalami, w tym niklem, aluminium czy tytanem oraz także różnymi stopami metali.

W najlepszych drukarkach osiągalna wysokość warstwy to 0,02 mm. Struktura uzyskanego materiału jest spójna i nadaje się do dalszej obróbki (np. wygładzanie powierzchni). Po zakończeniu procesu drukowania wydruki muszą zostać schłodzone w kontrolowany sposób, by uniknąć skurczów i odkształceń wydrukowanego przedmiotu. W przypadku gdy chcemy uzyskać skomplikowaną geometrię drukowanych przedmiotów, to metoda DMLS jest lepszą alternatywą dla konwencjonalnych metod obróbki metali (odlewy i obróbka skrawaniem).

Wadą tej technologii są niewątpliwie bardzo duże koszty uzyskania wydruku, a pamiętać należy także że drukować metalem mogą specjaliści z dużym doświadczeniem i kompetencjami.

Rys. 4. Źródło: https://arcadia-architektura.pl/gfx/2016/09/DMLS-1024×705.png

Nieco mniej rozpowszechnioną metodą druku metalami jest metoda EBM (Electron Beam Melting), polegająca na spiekaniu kolejnych warstw sproszkowanego metalu wiązką elektronów zamiast laserem. Proces spiekania musi być wykonywany w komorze próżniowej. Technologia ta ze względu na wysoką gęstość i czystość struktury metalicznej jest wykorzystywana w zastosowaniach medycznych (implanty)  oraz w przemyśle kosmicznym i lotniczym. Jest szybsza niż DMLS, ale powierzchnia obiektu po wydrukowaniu wymaga wygładzenia dodatkową obróbką mechaniczną.

W ostatnich latach pojawiły się nowe, niedrogie, a więc dostępne dla każdego technologie pozwalające drukować części metalowe. Jedną z takich metod, pozwalającą wydrukować model za pomocą standardowej drukarki FDM, jest metoda wykorzystująca metalowo-polimerowy kompozyt. Wspomniany kompozyt kupuje się w postaci filamentu o standardowej średnicy żyłki 1,75 mm. Składa się on w ponad 80% z proszku stali nierdzewnej spojonego specjalnym polimerem, usuwanym całkowicie z wydrukowanego obiektu w wykonywanych po wydrukowaniu procesach płukania i spiekania. Drukowanie można wykonać samodzielnie, natomiast procesy płukania i spiekania wykonywane przez producenta filamentu po wysłaniu do niego wydrukowanej części. W procesie płukania usuwany jest polimer spajający cząsteczki metalu, a w procesie spiekania utrwalana jest struktura metaliczna pozbawiona już spajającego polimeru. Ponieważ w trakcie płukania i spiekania wydrukowany model kurczy się anizotropowo w różnym zakresie w każdym z kierunków x, y i z, dlatego drukowany projekt powinien być większy o kilkanaście procent, po to aby po spieczeniu wymiary wróciły do założonych na etapie projektowania.

Selektywne sklejanie proszkowe (CJP)

W przypadku technologii druku CJP drukarka nanosi w kolejnych warstwach proszek gipsowy, na który natryskiwany jest klej spajający oraz barwnik (podobnie jak w drukarce atramentowej). Po wydrukowaniu wydruk utrwala się zanurzając go w specjalnym roztworze.

Na ogół wysokość nanoszonych warstw to 0,1 mm. Główną zaletą tej metody jest możliwość drukowania w pełnokolorowej przestrzeni barw CMYK. Zaletą także jest to, iż nie są potrzebne podpory. Ze względu na możliwość wydruków w pełnym zakresie barw, technologia ta stosowana jest najczęściej do tworzenia modeli koncepcyjnych przedmiotów, oraz także do modeli architektonicznych. Do wad na pewno zaliczyć należy małą wytrzymałość mechaniczną wydruków i z tego względu nie stosuje się ich w zastosowaniach, gdzie mogłyby podlegać działaniom znacznych sił i naprężeń.

Rys. 5. Źródło: https://www.sculpteo.com/blog/wp-content/uploads/2015/11/brain-650×458.jpg

Na koniec warto wspomnieć o druku 3D w kategorii ciekawostek.

Druk w skali mikro

Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu wydrukowali miniaturowy model 3D zamku na czubku rysika ołówka. Zamek mierzy 230 x 250 x 360 μm. Aby lepiej sobie wyobrazić wielkość wydruku można zauważyć, że wysokość wydruku to wysokość jednej warstwy w technologii FDM.

Rys. 6. Źródło: https://itbiznes.pl/wp-content/uploads/2020/10/UpNano-Druk-3D-nanoskala-tytul.jpg

Druk w skali makro

W wielu krajach drukowano już domy mieszkalne, a nawet mosty – w Holandii oddano do użytku wydrukowany most rowerowy. Jednakże druk 3D jest bardziej użyteczny przy drukowaniu jednego egzemplarza obiektu o problematycznym kształcie, realizującym najczęściej wizje artysty. W Nowej Zelandii postawiono 12 metrową, ważąca 3,5 tony rzeźbę, która powstała po wydrukowaniu i połączeniu 1700 elementów składowych. Rzeźba, miała być wykonana ze stali nierdzewnej, ale ze względu na skomplikowany kształt, produkcja stała się problematyczna i zdecydowano się na technologię druku FDM. Wydruk był realizowany na kilku pracujących równocześnie drukarkach przez 10 tygodni, a długość zużytego filamentu wyniosła 252 km.

Rys. 7. Źródło: https://m.facebook.com/KilwellFibretube/photos/a.375257929183928/4086031444773206/?type=3&source=44&
ref=page_internal

Naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu wydrukowali miniaturowy model 3D zamku na czubku rysika ołówka.

Na górnym zdjęciu – Autor (archiwum PO)