3DP - 3 Dimensional Printing

Technologia 3DP (ang. 3 Dimensional Printing) najbardziej ze wszystkich technologii warstwowego wytwarzania, przypomina klasyczne drukowanie, podobne do tego, które odbywa się w drukarkach atramentowych, tylko, że zamiast papieru stosowany jest proszek.

Zasada działania technologii 3 Dimensional Printing polega na warstwowym nanoszeniu sproszkowanego materiału kompozytowego, oryginalnie przypominającego składem gips, a następnie selektywnym zlepianiu go przy pomocy lepiszcza nastrzeliwanego, za pomocą głowicy poruszającej się w układzie osi X, Y. Maszyny 3DP nanoszą warstwy proszku o grubości 0,08-0,5mm.

Zasada działania 3DP, 3 Dimensional Printing

Zasada działania technologii 3DP.

Możliwe jest również stosowanie kolorowych lepiszczy. W efekcie otrzymujemy w bardzo krótkim czasie kolorowe modele, które następnie trzeba oczyścić sprężonym powietrzem z nieutwardzonego proszku i zainfiltrować w celu wzmocnienia ich struktury. Tak jak w przypadku technologii SLS, 3DP również nie wymaga struktur podporowych i dzięki temu możliwe jest wykonywanie nawet bardzo skomplikowanych struktur pod warunkiem, że grubość ich ścianek i ich wytrzymałość będzie pozwalała na bezpieczne wyciągnięcie surowego modelu z komory roboczej bez uszkodzenia. Jako infiltratorów stosuje się różne materiały, począwszy od kąpieli w roztopionej parafinie, poprzez nasączanie klejem cyjanoakrylowym, a skończywszy na inflitracji żywicami epoksydowymi lub poliestrowymi. Bez infiltracji modele 3DP są wrażliwe na uszkodzenia i kruche. Obecnie istnieje kilka różnych odmian technologii 3 Dimensional Printing, w których stosowane są materiały takie jak ceramika, tworzywa sztuczne czy też proszki metali.

Historia

Technologia 3DP została wynaleziona na uniwersytecie MIT i opatentowana w 1993. Jedną z pierwszych firm które zakupiły patent był ZCorporation – ZCorp. ZCorp rozpoczął sprzedaż pierwszej komercyjnie dostępnej maszyny 3DP w 1996r, była to maszyna Z402. Z402 była jeszcze monochromatyczną maszyną, która pozwalała na budowanie modeli tylko w kolorze proszku. W 2005r. ZCorp przedstawił nową, pierwszą w pełni kolorową maszynę Spectrum Z510 sprzedawaną później w Europie przez jakiś czas pod marką firmy Contex produkującej drukarki wielkoformatowe i plotery dla biur konstrukcyjnych. Z510 była wyposażona w 4 głowice HP10. Każda z głowic obsługiwała inny rodzaj lepiszcza: przezroczyste, w kolorze cyjan, magenta i yellow. Dzięki stosowaniu 4 głowic maszyna ta potrafiła wdrukowywać w warstwę pigmentu, dzięki czemu możliwe stało się nanoszenie kolorów na ściany modelu, a nawet tekstur. Z tej nowej możliwości skorzystało bardzo wiele biur architektonicznych oraz firm GIS, które chciały wykonywać foto realistyczne trójwymiarowe modele terenu z naniesionymi fotografiami lotniczymi.

Od początku swojej działalności firma ZCorp zmagała się z problemem kruchości modeli wykonywanych w technologii 3DP. Z tego powodu prowadzono intensywne badania nad różnymi kompozycjami proszku służącego do budowy i lepiszcza, a także metodami infiltracjo modeli. Wynaleziono szereg proszków, które poprzez specjalne procesy infiltracyjne mogły zmieniać swoją wytrzymałość i elastyczność. Np. proszek na bazie skrobi kukurydzianej mógł być zainfiltrowany specjalną żywicą gumopodobną na bazie silikonów i przez to po skruszeniu niezainfiltrowanego rdzenia część miała właściwości gumy. Seria proszków ZP130, 131 i najnowszy ZP150 jest podstawowym kompozytem rozwijanym do dnia dzisiejszego, przy czym firma po wykupieniu w 2012r przez 3D Systems, przestała oferować stare proszki i obecnie ZP150 jest jedynym materiałem dostępnym w sprzedaży.

Z technologii 3 Dimensional Printing skorzystały również inne firmy takie jak Voxeljet oraz ExOne (dawniej ProMetal), które ominęły częściowo patent MIT, poprzez stosowanie głowic piezoelektrycznych zamiast głowic termicznych produkowanych przez HP, oraz stosowanie proszków bez czynnych składników zlepiających. Dzięki temu możliwe stało się stosowanie ciekłych lepiszczy o lepszych parametrach mechanicznych i materiałów typu sproszkowany PMMA, proszków metali lub piasków formierskich. Odbiorcami maszyn produkowanych przez Voxel Jet i ExOne są głównie odlewnie wymagające szybkiego wytwarzania skomplikowanych odlewów, składających się z dużej ilości rdzeni i oprzyrządowania pomocniczego formy. W 2012r firma Voxeljet przedstawiła maszynę działającą w technologii 3DP, która potrafi wykonywać modele form odlewniczych w sposób ciągły, bez konieczności stosowania wymiennej komory roboczej. Maszyna ta potrafi wykonywać elementy o niemal nieskończonej długości. Jest to prawdziwa rewolucja dla branży odlewniczej, gdyż możliwe jest niewiarygodne skrócenie czasu odlewu, ponieważ bezpośrednio z danych CAD można wykonać całą formę w przeciągu kilku godzin, a następnie użyć ją bezpośrednio bez dodatkowej infiltracji do odlania pierwszych części metalowych, w przeciągu kilku dni.

Producenci

* firmy nadal oferujące systemy SLA

Zalety technologii 3DP

  • najwyższa szybkość budowania modeli
  • możliwość szybkiego budowania form odlewniczych
  • możliwość budowania modeli z naniesionymi kolorowymi teksturami

Wady technologii 3DP

  • niewielka dokładność mocno zależna od grubości warstwy i „tęgości” modelu
  • wysoka kruchość budowanych detali
  • konieczność infiltracji model w celu ich wzmocnienia lub wydobycia kolorów z modelu
  • ograniczona funkcjonalność modeli z powodu dość wąskiego wyboru oferowanych materiałów

Aplikacje

  • ogólne prototypowanie produktów (szczególnie w kolorze)
  • budowanie form odlewniczych
  • modelowanie architektoniczne i GIS