Technologia druku 3D

Druk 3D jest jednym z aspektów znacznie szerszego tematu jakim jest obróbka CNC¹Komputerowe sterowanie numeryczne (CNC) to metoda produkcji, która automatyzuje sterowanie, ruch i precyzję obrabiarek poprzez zastosowanie wstępnie zaprogramowanego oprogramowania komputerowego wbudowanego w narzędzia , jednakże dla potrzeb dydaktyki z zakresu druku 3D skupimy się na nim samym pozwalając sobie na niejednokrotne wyprawy wgłąb technologii CNC.

Początki druku 3D sięgają roku 1971 kiedy to 5 lipca Pierre A. L. Ciraud opublikował swoją teoretyczną pracę, na temat “produkcji wyrobów o dowolnym kształcie poprzez łączenie sproszkowanego materiału przy pomocy źródła energii“. Pierwsze wnioski patentowe na urządzenia tworzące modele z piasku został złożony przez Rossa F. Housholdera 3 grudnia 1979. Pan Ross, prawdopodobnie nigdy nie zbudował swoich projektów z braku funduszy…

Prekursor technologii druku 3D

Za człowieka, który wymyślił druk 3D powszechnie uważa się Charles’a Hulla, który złożył wniosek patentowy na swoją drukarkę 8 sierpnia 1984r. Ten sam człowiek założył też pierwszą firmę, która produkowała takie urządzenia – 3D Systems. Wtedy też, opracowano stosowany do dziś dnia format plików STL (skrót od stereolitografii), który stosuje się do opracowania pliku gcode, odczytywanego przez drukarki 3D.

Hull, na pomysł badań nad drukiem przestrzennym, wpadł całkiem przypadkiem. W latach 80-tych zajmował się zabezpieczaniem stołów przed zniszczeniami (na pierwszy rzut oka, temat mało związany z drukiem 3D). Jego zadaniem było opracowanie i opatentowanie nowych metod pokrycia blatów żywicą utwardzoną pod wpływem światła UV. Po czasie, wpadł na pomysł, aby skonstruować trójwymiarowe przedmioty, złożone z wielu warstw utwardzonej żywicy. Swój patent Hull otrzymał w roku 1986 i to ta data może być uznawana za oficjalny początek technologii druku 3D.

Firma Hulla wynalazła w miarę upływu lat kolejną technologię – SLS (ang: Selective Laser Sintering), czyli modelowanie przy użyciu lasera wysokiej mocy. Jak się okazało, zapotrzebowanie na tego typu urządzenia było ogromne. W 1989 roku natomiast powstała spółka Stratasys, która zademonstrowała światu jeszcze jedno rozwiązanie: FDM, czyli modelowanie ciekłym tworzywem sztucznym. Jak widać, gwałtowny skok w rozwoju druku i tworzenia 3D przypada na przełom lat 80. i 90.

Pierwsze oprogramowanie CAD

W 1993 powstały pierwsze narzędzia do projektowania CAD modeli 3D, które stają się spopularyzowane i powszechnie dostępne dzięki Sanders Prototype (znanego obecnie pod nazwą Solidscape).

Obecnie jest dostępnych wiele programów umożliwiających projektowanie 3D m.in Fusion 360, Solidworks, prawdziwych kombajnów (darmowych!!!) takich jak Blender i elementarnie prostych takich jak Sketchup czy Tinkercad.

Rewolucja RepRap

Prawdziwą jednak rewolucję spowodował projekt RepRap. Inicjatorem i kierownikiem projektu był dr Adrian Bowyer, wykładowca na Uniwersytecie w Bath w Wielkiej Brytanii.

Główną używaną technologią był FDM, a wyniki były publikowane na licencji GNU, co oznacza, że są dostępne za darmo i każdy może je modyfikować do własnych celów. 13 września 2006 r. prototyp RepRap 0.2 wyprodukował pierwsze części siebie samego, przy pomocy których zastąpiono jego własne części wytworzone za pomocą komercyjnej drukarki 3D.

Pierwsze amatorskie drukarki 3D

Docelowo drukarki te miałyby być urządzeniami samopowielającymi się. Przeszkodę stanowią jednak części elektroniczne i precyzyjne części jak np. silniki krokowe. W ramach zainicjowanego przez niego projektu RepRap tworzone są w kolejnych latach kolejne modele drukarek 3D, które można złożyć i częściowo wytworzyć w domu. Docelowo drukarki te miałyby się same powielać. W roku 2013 zestaw do samodzielnego montażu drukarki RepRapPro Huxley kosztował ok. 430 USD, a z elementami, które można wydrukować samodzielnie, dla leniwych – ok. 540 USD.

Pierwsze amatorskie drukarki 3D pojawiły się na rynku dopiero w 2009 roku za sprawą firmy MakerBot z Nowego Jorku, która wypuściła do sprzedaży zestawy „zrób to sam”.

Druk 3D teraz

Od 2006 roku rozpoczął się lawinowy rozwój druku 3D. Coraz więcej drukarek trafia na rynek. W 2008 roku, druk 3D osiągnął jeszcze większą popularność w mediach, dzięki kolejnemu zastosowaniu modelowania w medycynie: pierwszej wydrukowanej protezie 3D. Model zawierał on wszystkie części kończyny biologicznej, łącznie z elementami ruchomymi, bez potrzeby późniejszego montażu. W połączeniu ze skanowaniem 3D, proteza i orteza medyczna staje się coraz tańsza, bardziej dopasowana oraz niezwykle szybka do uzyskania.

W 2015 r. powstała firma Desktop Metal – amerykański producent drukujących z metalu, drukarek 3d, dokonując swojego rodzaju przełomu na rynku 3D.

Wydrukami z metalu w oparciu o najprostszą technologię FDM zajmuje się obecnie np. firma BASF.

Znając ogólną zasadę, że na drukarce 3D rzeczywiste obiekty wytwarza się warstwa po warstwie, to zastosowań dla tych urządzeń możemy znaleźć ogromną ilość. Niniejszy materiał dydaktyczny rozwija zagadnienie umożliwiając zapoznanie się z technologią druku 3D i zajrzenie do jej alkowy.

Materiały dydaktyczne

1. Rodzaje wydruków – technologie wydruków. (1 wykład 90′)
2. Podstawy CNC w drukowaniu 3D (1 wykład 90′)
3. Projektowanie modelu (6 wykładów 90’+laboratorium)
4. Przygotowanie do wydruku (2 wykłady 90′ + laboratorium)
5. Wydruki (laboratorium)
   1. FFF/FDM
   2. UV SLA/UV LCD
6. Rozwiązania przemysłowe druku 3D (1 wykład 90′)
7. Przyszłość drukarek 3D (1 wykład 90′)
8. Instrukcje sterujące g-code

30h wykładu + 30h laboratorium