Jak działa drukarka 3D?

Jeszcze niedawno drukowanie przestrzenne wydawało się pomysłem rodem z filmów fantastycznych, a dziś każdy może złożyć we własnym domu prostą drukarkę 3D. Wszystko zaczęło się w latach 80. i od tamtej pory obserwujemy błyskawiczny rozwój technologii związanej z wydrukami 3D.
Co jakiś czas w mediach pojawiają się doniesienia o nowym zastosowaniu drukarek 3D oraz o coraz doskonalszych modelach tych urządzeń. Za ich pomocą potrafimy tworzyć coraz bardziej skomplikowane przedmioty. Trudno dziś przewidzieć z całą pewnością, jaka będzie przyszłość druku 3D, lecz eksperci są zgodni, że jego zastosowanie będzie coraz powszechniejsze. Obecnie coraz chętniej wydruki 3D wykorzystuje się w wielu różnych branżach, o czym będziemy jeszcze dokładniej pisali w tym artykule. Dziś wkraczamy w świat drukowania przestrzennego — sprawdzimy, jak to wszystko się zaczęło, jak działa drukarka 3D, omówimy budowę drukarki 3D, a także zastanowimy się, gdzie można zastosować druk 3D i do czego może być przydatny. Na początek jednak trochę historii.

Drukarka 3D — jak to się zaczęło?

Zanim sprawdzimy, w jaki sposób działa drukarka 3D i jaka jest przyszłość wydruków 3D, warto przypomnieć, jak to wszystko się zaczęło. Był rok 1984, gdy Amerykanin Charles Hull opracował pierwszą na świecie technikę drukowania przestrzennego. Nazwał ją stereolitografią (SLA). Wkrótce Hull założył działającą nadal firmę 3D Systems, w której opracowano powszechnie dziś stosowany format pliku STL, umożliwiający przekazywanie instrukcji drukarkom 3D. Jako ciekawostkę można podać, że pierwszym wydrukiem pioniera przestrzennego drukowania była filiżanka, którą wręczył jako prezent swojej żonie. 3D Systems produkował pierwsze komercyjne drukarki 3D, chociaż wtedy używano nazwy „aparat stereolitograficzny”. Stosowane dziś nazewnictwo weszło do użytku dopiero w 1996 roku.

Cofnijmy się jednak do roku 1988. Gdy 3D Systems ogłaszał światu kolejną technologię druku 3D, znaną jako SLS (modelowanie z użyciem lasera wysokiej mocy), Scott Crump założył firmę Stratasys i zaprezentował inne rozwiązanie: FDM (modelowanie za pomocą ciekłego tworzywa sztucznego). Kolejnym przełomem w przygotowywaniu wydruków 3D był rok 1999, gdy przestrzenne drukowanie wykorzystano w medycynie. Za pomocą drukarki 3D powstał szkielet pęcherzyka żółciowego, który został wszczepiony pacjentowi. Trzy lata później ci sami amerykańscy lekarze wydrukowali nerkę, która doskonale działała w organizmie zwierzęcia laboratoryjnego. Coraz śmielsze osiągnięcia w transplantologii sprawiły, że coraz więcej ludzi na świecie zaczęło interesować się drukowaniem przestrzennym i chciało dowiedzieć się, jak działa drukarka 3D. To zaś miało swoje konsekwencje komercyjne — w 2006 roku Adrian Boywer przygotował pierwszą drukarkę domową (projekt RepRap), a dwa lata później zaczął działać serwis oferujący tanie wydruki 3D. Natomiast w 2009 roku, za sprawą firmy Makerbot, pojawiła się pierwsza drukarka 3D do samodzielnego montażu w domu, a w 2013 roku urządzenia tego tyou znalazły się w sprzedaży masowej.

Budowa drukarki 3D

Łatwo się domyślić, że drukarka 3D jest skomplikowanym urządzeniem, które składa się z wielu różnych modułów. Każdy z nich ma określone zadanie do wykonania. Dlatego warto przyjrzeć się nieco dokładniej budowie drukarki 3D i jej poszczególnym komponentom.

Przede wszystkim całą konstrukcję drukarki przestrzennej utrzymuje rama, do której mocowane są pozostałe części. Wykonywana jest ona najczęściej z tworzyw sztucznych, z metalu, a nawet z drewna. Żaden wydruk 3D nie może też obejść się bez zamontowanych w drukarkach silników krokowych, których zadaniem jest poruszanie głowicą nad drukowanym obiektem. Silniki kontrolują specjalne sterowniki. Potrzebny jest też sterownik samej drukarki. Jednak jednym z najważniejszych elementów w budowie drukarki 3D jest głowica, która stapia w bardzo wysokiej temperaturze materiał tworzący druk 3D. Materiał do drukowania (sprzedawany w zwojach) dostarczany jest do głowicy za pomocą wytłaczarki (ekstrudera). Wydruk jest dokonywany na tzw. stole grzejnym. Inne elementy drukarki 3D to wyłączniki krańcowe, termistory (przekazują informacje o temperaturze głowicy), prowadnice, łożyska i zasilacz. W niektórych modelach montowane są również wyświetlacze LCD. Jak widać, budowa drukarki 3D opiera się na bardzo wielu elementach, bez których urządzenie po prostu nie mogłoby właściwie działać. Warto dodać, że na rynku dostępne są gotowe do pracy drukarki 3D lub tańsze zestawy do samodzielnego montażu.

Jak działa drukarka 3D?

Skoro znamy już budowę urządzenia do przestrzennego drukowania, warto teraz sprawdzić, w jaki sposób działa drukarka 3D. Żeby w ogóle mógł powstać druk 3D, najpierw konieczne jest przygotowanie projektu graficznego CAD, który trzeba wyeksportować do pliku STL. Ten z kolei otwierany jest w programie obsługującym drukarkę i za jego pośrednictwem przesyła się odpowiednie komendy do urządzenia. Można także zeskanować przedmiot, jaki będzie drukowany.

W drukarce 3D roztopiony materiał rozprowadzany jest za pomocą dysz poruszających się w trzech wymiarach, układających warstwy, które potem tworzą drukowany obiekt. To technika FDM, jednak stosuje się także inne. W DLP płynna żywica utwardzana jest światłem z projektora (doskonale sprawdza się przy obiektach o niezwykle gładkich powierzchniach), natomiast w technologii SLS proszek łączony jest za pomocą lasera. Wydruk może trwać od kilkunastu minut do nawet kilkudziesięciu godzin, a zależy to od stopnia skomplikowania drukowanego obiektu oraz od jego wielkości.

Z jakich materiałów tworzy się wydruki 3D?

Drukarka 3D może używać bardzo różnych materiałów (filamentów) do wykonywania wydruków przestrzennych. W technologii FDM, która najczęściej stosowana jest w domowych urządzeniach, wykorzystuje się przeważnie ABS (polimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy, który jest bardzo wytrzymały), PLA (biodegradowalny polilaktyd, łatwy w obróbce), PET (ten sam materiał, którego używa się do produkcji plastikowych butelek — można drukować wytrzymałe, półprzeźroczyste modele) i laywood (połączenie plastiku i drewna).

W drukarkach przemysłowych używa się także innych materiałów, takich jak guma, beton, papier, a coraz częściej również metal. Można też drukować kolorowe modele, w których materiał barwiony jest za pomocą tuszów z palety CMYK.

Druk 3D — zastosowanie

Skoro wiadomo już, jak działa drukarka 3D, warto poświęcić kilka słów temu, gdzie najczęściej znajdują zastosowanie wydruki przestrzenne. W rzeczywistości tego rodzaju drukarki mają coraz szersze zastosowanie, ponieważ  jest to tak naprawdę ciągle jeszcze technologia przyszłości. Z druku 3D korzysta przede wszystkim przemysł, tworząc modele i prototypy różnych urządzeń, a także medycyna (na przykład przy rekonstrukcji kości lub fragmentów czaszki). Technologia przestrzennego drukowania jest także używana przez niektóre firmy produkcyjne do wytwarzania nieskomplikowanych produktów, elementów biżuterii. Także coraz więcej serwisów internetowych oferuje wykonanie niepowtarzalnych, prostych przedmiotów.

Niewątpliwie drukarki 3D to ważny krok w rozwoju ludzkości. Ich możliwości są coraz bardziej zaawansowane, co oznacza, że być może już wkrótce za ich pomocą będziemy mogli drukować niezwykle skomplikowane modele, a sama technologia przestrzenna upowszechni się tak jak drukowanie 2D. Zapewne przekonamy się o tym już niebawem.

Ostatnio dodane artykuły