Współczesna technika i technologia przy udziale komputerowego sterowania oraz inteligentna diagnoza potrzeb zezwalają na realizację maszyn i urządzeń dla wielu dziedzin gospodarki. Udział urządzeń CNC w produkcji ma już kilkudziesięcioletnią tradycję. Koncepcja komputerowego wspomagania ruchem narzędzia w trzech osiach ewoluowała w kierunku zwiększania ilości osi, a także uzbrajania urządzeń w coraz to nowsze narzędzia wykonawcze. Generalnie zajmujemy się rozwijaniem platform CNC wraz z narzędziami wykonawczymi jakimi są bez wątpienia głowice drukujące 3d oraz tworzeniem wyrafinowanych programów sterujących ich pracą. Okazuje się, że umiejętność połączenia doświadczenia i wiedzy na wielu poziomach powoduje zdolność do rozwiązywania starych problemów przez nowe urządzenia w dziedzinach do tej pory znacznie oddalonych od siebie.
Mówi się i pisze, że technologia druku 3D jest nowoczesnym procesem wytwarzania obiektów. Czy nowoczesnym ? Matka Natura od dawna tworzy obiekty przez powolne dodawanie. Addytywnie. Człowiek natomiast jeśli chce coś zbudować lub skonstruować to nakruszy, narozłupuje, naścina. Odpadu z tego co niemiara. Wydaje się, że druk 3d to jednak stara, sprawdzona technologia. Problem polega jednak na tym, że nie potrafiliśmy do tej pory natury naśladować. Ale uczymy się! Powoli. Przez lata drukowaliśmy tylko (a jakże by inaczej !) tworzywem sztucznym bo na początku było trzech braci: Kain, Abel i Tworzywo sztuczne itd. Tak na poważnie to rodzina tworzyw sztucznych się między czasie powiększyła i drukujemy nawet tkanki ludzkie…
Druk 3d to w istocie platforma CNC lub ramię robotyczne i odpowiednia głowica drukująca. Najbardziej interesujące są obecnie głowice drukujące, a jest ich bez liku z uwagi na różnorodne dziedziny zastosowań. Poczynając od drukowania kremu na torcie z imieniem Oleńki czy Krzysia, aż po druk części zamiennych łodzi podwodnej na jej pokładzie lub implantu.
Mylne są opinie tych, którzy druk 3d traktują jak zupełnie autonomiczną technologię, demiurga nieomal, stwarzającą światy całe. Nie ma sensu drukować przed wyjściem na przyjęcie nowej torebki, modnych bucików lub hamburgera gdy jesteśmy głodni… Dokładne diagnozowanie problemu w jakieś dziedzinie i wykorzystanie unikatowych własności druku 3d wydaje się kluczem do sukcesu.
Druk 3d sprawdził się w dziedzinie prototypowania, produkcji krótkoseryjnej, wytwarzaniu złożonych, nie ciągłych, zamkniętych struktur i konstrukcji o parametrycznej geometrii w sposób bezodpadowy, energooszczędny czasem jednak pracochłonny. Pracochłonność też wydaje się wątpliwa zważając na ograniczony, a czasami nawet zbędny postprocesing.
Nasz zespół 3dArtech zdiagnozował obszary w których istnieje praktyczny, technologiczny, finansowy, a nawet estetyczny sens użycia technologii druku 3d. Jest to produkcja zindywidualizowanych w formie ustrojów akustycznych o przewidywalnych parametrach, produkcja paneli elewacyjnych i do wystroju wnętrz, a także wytwarzanie złożonych konstrukcji budowlanych, których produkcja nawet na współczesnych placach budowy jest dużym wyzwaniem dla inwestorów i wykonawców. Sposób produkcji paneli elewacyjnych jest przedmiotem procesu patentowego tak jak wspomniane konstrukcje budowlane. Sądzimy, że druk 3d nie zawsze wyklucza obecnie stosowane technologie, ale dopełnia je wnosząc korzystniejsze rozwiązania i optymalizując produkcję. Tak stało się w przypadku naszej propozycji zastosowania druku 3d w budownictwie, który nie miał zastąpić sprawdzonej konstrukcji żelbetowej i materiałów wypełniających takich jak pianobeton lub ceramika komorowa, ale znalazł zastosowanie w miejscach dla niego właściwych.
Przykładem jest akustyka, w której stworzyliśmy nowe rodzaje ustrojów akustycznych możliwych do wykonania jedynie za pomocą druku 3d.
Akustyka cieszy się ogromnym zainteresowaniem w świcie naukowym z uwagi na ścisły związek matematyki i praktyki. Jednak trudno o analogię pomiędzy inżynierią lądową i budową mostów chociażby, a akustyką i wszelkimi rodzajami ustrojów akustycznych instalowanymi w audytoriach, salach koncertowych i mieszkaniach prywatnych. Materia dźwięku jest…nie materialna. Nieprzewidywalna. O ile wytrzymałość mostu można przewidzieć, zbudować go i stać pod nim podczas pierwszych przejazdów obciążonych piaskiem ciężarówek to ręczyć słowem za efekt akustyczny nowej sali koncertowej byłoby nierozważne. Stąd pewnie wynika niechęć do konsultacji z akustykami przed dokonaniem pierwszych koncepcji architektonicznych, a już zupełnie wtedy gdy zapadają decyzje co do aranżacji wystroju wnętrza. Akustyk zaleca nieustanne badania, poprawki i badania…W dobrej wierze z resztą. Ufa bowiem, że dźwięk może być lekiem na dobrostan społeczny lub odpadem cywilizacyjnym. Śmieciem po prostu.
Prywatne zainteresowania członków naszego zespołu nieuchronnie zawiodły naszą firmę w świat akustyki i problemów związanych wykorzystaniem technologii 3d do wytwarzania unikalnych ustrojów akustycznych, których wygląd nie byłby zdeterminowany techniczną funkcją jaką pełnią w obiektach. Zadanie karkołomne z uwagi na wspomnianą już nieprzewidywalność dźwięku w nowych przestrzeniach architektonicznych, gdzie nawet wilgotność powietrza i zmienna obecność ludzi ma ogromne znaczenie nie mówiąc już o formie istocie przedsięwzięcia, a mianowicie samym ustroju akustycznym. Urządzeniu zbudowanym z materiałów nieobojętnych dla dźwięku o wymiarach sparametryzowanych tak, że odpowiadają długości fali dźwiękowej liczonej nawet w milimetrach…A przecież najlepsze sale koncertowe to często te dekorowane rzeźbionymi listkami, aniołkami niosącymi girlandy złoconego kwiecia. Co najjaśniejsza nauka na to?
Wykorzystaliśmy unikalne możliwości druku 3d do tworzenia form parametrycznych niemożliwych do wykonania w inny sposób lub bardzo trudnych i kosztownych do wykonania w tradycyjnych technologiach, natomiast atrakcyjnych ze względów akustycznych. Proces patentowania naszych rozwiązań jest w toku. Sądzimy, że wniesiemy znaczny wkład na polu tworzenia artystycznych ustrojów akustycznych wraz narzędziami koniecznymi do ich projektowania.
Rozwój techniki druku 3d nie byłby możliwy bez nowoczesnych materiałów stosowanych jako swoisty „atrament”, czyli coś z czego drukujemy przedmioty. Własne laboratorium pozwala nam tworzyć dedykowane do konkretnych zadań masy (filamenty), których niestety nie sposób kupić na rynku.
Materiały do druku 3d
Pierwsze drukarki 3d pojawiły się ponad 25 lat temu. Najbardziej znaną i obecnie najtańszą jest technologia druku FDM (FFF) czyli drukowanie obiektów z filamentu (żyłki z tworzywa sztucznego), który podawany jest ze szpuli do głowicy za pomocą ekstrudera, gdzie w temperaturze około 200 stopi C (dla ABS i PLA zakres od 160 do 260 stopni C) następuje topienie tworzywa sztucznego. Tworzywo w postaci półpłynnej jest wypychane warstwowo na drukowany obiekt. Z każdym rokiem ilość producentów filamentu się zwiększa. Firmy prześcigają się nie tylko ceną, ale jakością filamentu, różnorodnością tworzyw, kolorem i dodatkami. Filament wytłacza się z granulek tworzywa sztucznego z dodatkami na linii produkcyjnej w skład której wchodzi ekstruder, blok kalibrowania, blok chłodzenia, osuszacz, odciąg z kontrolerem laserowym średnicy, kompensator z nawijarką na szpule. Przyjęły się dwa standardy średnicy: 1,75mm oraz 3mm (lub 2,85mm. Ze względu na duże zapotrzebowanie i dostępność technologii FDM nadal trwają prace na nowymi materiałami.
Najbardziej popularnym, występującym w wielu odmianach i najmniej wymagającym w druku 3d jest PLA (polilaktyd). Jest to materiał biodegradowalny o niskiej emisji zapachu podczas druku. Jest twardy, ale dość kruchy. Posiada mały skurcz i nie wymaga podgrzewanego stołu. Wadą tego materiału jest niska temperatura użytkowa wyrobu – 60°C. Wydaje się jednak, że niewiele prototypów, modeli, elementów technicznych czy obiektów artystycznych wymaga wyższej wytrzymałości na temperaturę.
Tworzywa bardziej wymagające i przeznaczone do specjalnych zastosowań to:
Stosowany jako materiał podporowy do druku ABS 858466. Rozpuszcza się w rozpuszczalniku limonen o handlowej nazwie D-Limonen MG Chemicals 433, który jest biodegradowalnym ekstraktem naturalnego kwasu cytrynowego.
Istnieje duża grupa mieszanek różnych tworzyw sztucznych z wypełniaczami np. włókien węglowych, włókien szklanych, proszku ceramicznego, proszku drzewnego, proszku metalowego itd. Dostępne są tworzywa imitujące wygląd kamienia, węgla, gliny, a także umożliwiające wykonywanie modeli do odlewów technologią traconego wosku. Kolejna grupa filamentów to materiały podporowe PVA. Drukowanie obiektów posiadających nawisy wymaga podparcia ich w tracie druku. Można to robić na dwa sposoby: drukować tym samym filamentem co obiekt z cienkimi podporami przeznaczonymi do wyłamania lub drukować drugą głowicą podpory z materiału rozpuszczalnego. I jedna i druga metoda ma swoje wady i zalety. Pierwsza jest tania, ale mniej elegancka i dosyć pracochłonna. Druga jest kosztowa i wymaga posiadania drukarki z dwoma głowicami i myjki ultradźwiękowej.
Co miesiąc na rynek wprowadzane są kolejne filamenty dla specjalnych zastosowań. Filamenty znacznie różnią się ceną. Nie wynika to jedynie z przyczyn marketingowych, ale przede wszystkim z właściwości technicznych. Wysokiej jakości surowiec oraz sam proces produkcji filamentu wymaga ostrych reżimów dotyczących chociażby utrzymania jednakowej średnicy filamentu. Ten parametr ma fundamentalny wpływ na jakość druku. Cechą druku FDM jest łatwość druku wielomateriałowego. Kilkoma głowicami można tłoczyć materiały o różnych parametrach. Można łączyć materiały sztywne z elastycznymi lub różnokolorowe. Druk 3d FDM pomimo swoich wad, stała się najbardziej rozpowszechnioną i rozpoznawalną technologią na całym świecie.
W latach 80 ubiegłego stulecia miała swoje początki kolejna bardzo popularna technologia druku 3d SLA – stereolitografia. Polega na budowaniu warstwowo obiektów z płynnej żywicy naświetlanej promieniem lasera. Zbliżoną technologią jest DLP czyli naświetlanie płynnej żywicy przy pomocy projektora oraz technologia MJP, naświetlanie żywicy światłem UV. Wszystkie te technologie cechuje wysoka dokładność wymiarowa oraz gładkość powierzchni wykonywanych wydruków, możliwość druku bardzo skomplikowanych kształtów również cienkościennych. Żywice do druku w tych technologiach występują podobnie jak filamenty w wielu rodzajach: sztywne, elastyczne, o różnych parametrach wytrzymałościowych, transparentne, kolorowe, odlewnicze, stomatologiczne i wiele innych. Powyższe technologie są droższe od druku FDM, ale ich możliwości zastosowania całkowicie rekompensują cenę.
Kolejna technologia, którą można umieścić w jednej grupie to druk 3d obiektów z proszku. Obecnie najbardziej rozpowszechniona jest technologia SLS – druk z proszku tworzyw sztucznych spiekanych wiązka lasera oraz SLM – druk z proszków metali spiekanych wiązką lasera. Technologia SLS pozwala drukować przedmioty nawet o parametrach fizykochemicznych przewyższających wszechobecną technologię formowania wtryskowego. Najbardziej popularnym proszkiem jest POLIAMID znany również jako NYLON, kolejne to PEEK/PEKK- POLIETEROKETON o wysokich parametrach mechanicznych. Wykonuje się z nich części maszyn do zastosowania w środowiskach agresywnych oraz jako alternatywę dla implantów metalowych. PP –polipropylen do wytwarzania prototypów. PS – polistyren do wytwarzania modeli matek dla odlewnictwa. TPE – elastomer termoplastyczny o właściwościach podobnych do miękkiego PCV. Technologia SLS ze względu na wysoką cenę może być wykorzystywana tylko w wybranych gałęziach gospodarki, gdzie jej zastosowanie jest uzasadnione ekonomicznie.
Jedną z najbardziej spektakularnych technologii druku 3d jest wytwarzanie obiektów z metali. To najdroższa metoda druku 3d. Jest skomplikowana i bardzo trudna we wdrożeniu. Proces spiekania proszków laserem odbywa się w atmosferze gazów technicznych. Drobne proszki są wybuchowe i bardzo podatne na utlenianie dlatego przechowywanie ich wymaga wyrafinowanych metod. Metale z których można drukować to różne stopy aluminium, stali, stali nierdzewnych, tytanu, niklu, chromu i złota.
Wielka różnorodność materiałów o różnej jakości dedykowanych dla druku 3d spowodowała, że producenci maszyn zaczęli czipować i dystrybuować przebadane materiały we własnych laboratoriach jako dedykowane do swoich maszyn. Producenci drukarek dążą, aby ich urządzenia pracowały w systemie plug & play, aby to osiągnąć muszą mieć kontrolę nad materiałem z którego będzie drukowała ich maszyna. Niejednokrotnie utrzymanie gwarancji jest ściśle związane z pracą tylko na materiałach producenta maszyn. Rozwój druku 3d jest dynamiczny. Powstają dedykowane dla konkretnych branż techniki druku, a dobre diagnozowanie potrzeb i ograniczeń starych technologii powiększa krąg zainteresowanych drukiem 3d. Należy do nich miedzy innymi druk 3d dla budownictwa w którym firma 3dArtech specjalizuje się. Na potrzeby naszych drukarek opracowaliśmy masy akustyczne o współczynniku pochłaniania dźwięku α=0,9 oraz masy do druku paneli elewacyjnych i do wewnątrz o sparametryzowanej reologii, czasie otwartym, elastyczności i skurczu.
Do tworzenia cyfrowych obiektów przestrzennych istnieją oczywiście potężne inżynierskie programy projektowe typu Solidworks, 3dmax czy Rhino. Mimo to zachodzi niekiedy konieczność stworzenia własnego programu na potrzeby urządzenia do produkcji ściśle określonego asortymentu. Tak było w przypadku drukarki SkribiArt dla której stworzono program do projektowania paneli elewacyjnych sześcioma głowicami. Wynik pracy każdej z nich jest odmienny co wiązało się z napisaniem odrębnych funkcjonalności i interfejsu. Oczywiście kolejnym krokiem jest stworzenie programu sterującego pracą maszyny. Oprócz budowy maszyn tworzymy dedykowane oprogramowanie do projektowania obiektów i do sterowania urządzeniami do ich produkcji.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach programu Inteligentny Rozwój. Projekt realizowany w ramach konkursu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju: Konkurs 1/1.1.1/2018 „Szybka ścieżka” MŚP