Drukarki 3D budowa i zasada działania

Drukarka 3D to urządzenie, które pozwala na stworzenie trójwymiarowego obiektu o precyzyjnie zadanych kształtach. Obiekt, zwany również wydrukiem, powstaje z surowca zwanego filamentem. Filament jest roztapiany w głowicy, a następnie bardzo dokładnie, warstwa po warstwie, rozprowadzany zgodnie z zadanym projektem.

Jak to działa?

Skąd wzięło się określenie „drukarka 3D”? Typowe drukarki, które od lat towarzyszą naszym komputerom, tworzą płaskie rysunki. Używają do tego tuszu lub tonera, nanosząc go w odpowiednie miejsca na nośniku, którym najczęściej jest papier lub folia. Powstały w ten sposób wydruk ma dwa wymiary: szerokość i długość. Im większa drukarka, tym większy może być wydruk, ale nadal jest on „płaski”, dwuwymiarowy.

Drukarki 3D rozpowszechniły się niedawno, a ich fenomen polega na tworzeniu wydruków nie w dwóch, lecz w trzech wymiarach. Głowica drukująca ma trzy osie swobody: szerokość, długość i dodatkowo wysokość.

Nowy materiał do drukowania

Oczywiście, konieczna była zmiana materiału drukującego na inny: substancja używana do drukowania w trzech wymiarach musi się trzymać „sama siebie”, ponieważ nie ma tu żadnego podłoża. To poprzednia warstwa wydruku staje się podłożem dla nowej. Dlatego wspomniany wcześniej filament musi spełniać dwa zadania:

• łatwo dać się rozprowadzać
• być twardym, aby wydruk był wytrzymały

Te wymagania są wzajemnie sprzeczne. Coś, co jest miękkie i plastyczne, nie może jednocześnie być twarde. Dlatego duże pole do popisu mieli chemicy, którzy musieli opracować substancję łatwą do nanoszenia, odpowiednio wytrzymałą i zdolną do łatwego przekształcania z jednej postaci w drugą. Odkryto, że doskonale do tego celu nadaje się poliaktyd, noszący skrótową nazwę PLA.

Ten polimer staje się plastyczny po podgrzaniu i twardy po ostygnięciu. Dodatkowo, można go wytwarzać z surowców biodegradowalnych, na przykład z kukurydzy. PLA mający formę filamentu jest sprzedawany w formie jednolitego druciku o kołowym przekroju poprzecznym i ściśle ustalonej średnicy. Można go spotkać w wielu różnych kolorach.

Innym znanym polimerem, który służy do tworzenia wydruków 3D, jest ABS. Ma nieco inne właściwości niż PLA, przede wszystkim jest twardszy. Wykonuje się z niego np. obudowy urządzeń elektronicznych. Na potrzeby druku 3D również jest sprzedawany, podobnie jak PLA, w formie drutu nawiniętego na rolkę.

Po co drukarce głowica?

Głowica drukująca to, tak naprawdę, dysza wykonana z metalu, która jest podgrzewana do dobrze określonej temperatury. Za niska temperatura spowodowałaby zbyt wolne wypływanie z niej filamentu, a zbyt wysoka – zbyt szybkie tempo tego procesu, problemy ze stygnięciem w odpowiednim czasie, a nawet zwęglenie (przypalenie) filamentu. Podgrzewanie głowicy jest elektryczne, przy użyciu niewielkiej grzałki z czujnikiem temperatury.

Filament sam się nie ruszy

W drukarce 3D znajduje się również niewielki silnik, realizujący posuw filamentu. Musi to być silnik krokowy, ponieważ tempo podawania nośnika zmienia się bardzo dynamicznie – tak samo, jak zmienia się szybkość ruchu samej głowicy. Te dwa parametry (szybkość posuwu filamentu i szybkość przesuwu głowicy) muszą być ściśle skoordynowane, aby nanoszona struga roztopionego tworzywa wszędzie miała jednolitą grubość:

• w czasie przenoszenia głowicy z miejsca na miejsce filament stoi,
• na prostych odcinkach głowica porusza się szybko, więc filament musi wypływać równie szybko
• podczas tworzenia ciasnych meandrów ruchy głowicy są wolniejsze, więc potrzeba odpowiednio mniej filamentu

Zespół napędowy (silnik i rolki) realizujący posuw filamentu nosi nazwę ekstrudera. W zależności od wykonania konkretnej drukarki, ekstruder może być połączony na stałe z głowicą lub przytwierdzony nieruchomo do ramy drukarki.

Istotną rolą ekstrudera jest nie tylko posuw filamentu w przód, ale również w tył. Podczas odrywania głowicy od tworzonego właśnie, jeszcze gorącego wydruku, mogłaby ciągnąć się za nią cienka nitka tego tworzywa, która psułaby zarówno estetykę, jak i dokładność wydruku. Lekkie cofnięcie filamentu przed uniesieniem głowicy zapobiega powstawaniu tego zjawiska.

Przemieszczanie głowicy

W wielu rozwiązaniach drukarek, to nie głowica się porusza (zwłaszcza, jeżeli jest przy niej ekstruder), ale to płaszczyzna, na której powstaje wydruk, porusza się względem głowicy. Ten płaski, poziomy obszar nosi nazwę stolika roboczego lub podłoża. Może być podgrzewany do ustalonej temperatury – minimalizuje to ryzyko odklejenia się drukowanego obiektu. To na nim powstaje pierwsza warstwa wydruku.

Sama drukarka 3D nie jest małym urządzeniem, ponieważ musi umożliwiać ruch głowicy drukującej (lub stolika) w trzech wymiarach. Aby było to możliwe, potrzebny jest zespół trzech silników wraz z odpowiednimi prowadnicami. Ponieważ te silniki mają poruszać głowicą z precyzją ułamka milimetra, również są to silniki krokowe.

Jeden silnik, wraz z przynależącą do niego prowadnicą, przesuwa głowicę (lub stolik) w osi X, czyli na prawo i na lewo. Drugi silnik jest odpowiedzialny za ruch w osi Y, czyli w przód i w tył. Zadaniem trzeciego silnika jest wykonywanie ruchów w osi Z, czyli do góry i na dół.

Czasem na osi Z pracują dwa silniki, ponieważ unoszona głowica lub stolik z wydrukiem mogą być ciężkie. To jedyna płaszczyzna ruchu, która musi na bieżąco przeciwstawiać się sile grawitacji, więc potrzebna jest większa moc zespołu napędowego tej osi, aby ruch nie trwał zbyt długo.

Ruch jest względny

Nie zawsze głowica jest w pełni nieruchoma – czasem porusza się w osiach X i Y, a tylko stolik jest przesuwany w górę i w dół. Rozwiązań konstrukcyjnych jest całe mnóstwo, ale części składowe pozostają niezmienne.

Pora na wydruk!

Jak działa drukarka 3D? Znając szczegóły jej budowy, zasada działania nasuwa się sama: układ elektroniczny zarządzający pracą silników i grzałek pobiera (z komputera lub z karty pamięci) informacje o położeniu głowicy drukującej. Następnie przekształca je w odpowiednie impulsy sterujące silnikami, cały czas kontrolując temperaturę głowicy.

Zestaw komend musi być zapisany w języku zrozumiałym dla sterownika drukarki. Najczęściej używa się w tej roli G-code, który jest generowany automatycznie przez oprogramowanie typu „slicer”. W takim programie przygotowany wcześniej model 3D jest rozkładany na poziome warstwy. Każda z warstw odpowiada ruchowi głowicy w osiach X i Y, a przejście do następnej warstwy to przesunięcie jej w górę po osi Z.

Przed rozpoczęciem wydruku, należy podgrzać głowicę, oraz ewentualnie stolik, do żądanej temperatury. To również jest zapisane w zestawie komend sterujących. Niektóre drukarki mogą też realizować wtedy kalibrację, polegającą na ruchu wszystkich trzech zespołów napędowych do skrajnych położeń. Ma to na celu „rozpoznanie” przez sterownik drukarki, gdzie aktualnie znajduje się głowica względem stolika.

Ile czasu to zajmie?

Jeden wydruk może powstawać nawet przez wiele godzin. Uzależnione to jest nie tylko od wielkości drukowanego modelu, ale również od rozdzielczości wydruku. Im większa jest rozdzielczość, tym dłużej on trwa. Potocznie mówiąc, im cieńsze są „plasterki”, z których składa się wydruk, tym większą ich liczbę trzeba położyć. Za to wierność odwzorowania szczegółów będzie większa, więc – jak w każdej dziedzinie inżynierii – jest „coś za coś”.

Gotowe wydruki, poza tym, że są ciepłe, mają również charakterystyczną, chropowatą powierzchnię. Wynika to z samej zasady działania takiej drukarki: roztopiony filament jest nakładany warstwa po warstwie, więc „przejście” pomiędzy kolejnymi warstwami nie będzie idealnie gładkie. Dlatego wydruki 3D muszą przejść tzw. postprocessing, czyli obróbkę polegającą na nadaniu im ostatecznego kształtu.

Do postprocessingu nie należy wyłącznie wygładzenie krawędzi. Czasem trzeba również usunąć tzw. supporty, czyli wsporniki dodawane po to, aby poszczególne części składowe bardziej złożonej bryły (np. figurki człowieka) nie rozpadły się w czasie drukowania.

Inne metody

Istnieją również inne metody drukowania, aniżeli z użyciem roztopionego filamentu, zwana skrótowo FDM lub FFF. W inny sposób działa SLA, czyli stereolitografia. Polega na punktowym utwardzaniu płynnej żywicy światłem lasera. Z kolei, Polyjet i MJP korzystają ze światłoutwardzalnej żywicy, która jest nanoszona warstwa po warstwie i utwardzana w odpowiednich miejscach. CJP to technologia podobna do MJP, z tą różnicą, że poszczególne warstwy są tworzone z pyłu gipsowego, na który nanosi się spajające je lepiszcze.