Technológia 3D tlače

Dnešné 3D tlačiarne využívajú pre zhotovenie modelov ako materiál predovšetkým plast, vosk, sadru alebo kov. Najčastejšie sa u nich stretávame s týmito technológiami:

Fused deposition modeling (FDM)

Nanášanie roztaveného plastu (PLA, ABS) alebo kovového drôtu vo vrstvách, výsledný model má hrúbku okolo 0,25 mm. Najrozšírenejšie a cenovo najdostupnejšie technológie, s ktorou sa často stretávame pri prezentáciách prototypov a vzoriek výrobkov. Tlačiareň vyrába pevné a tvarovo stále modely.
FDM, alebo ako FFF, je najbežnejšia a najznámejia medzi technológiami využívaných pre 3D tlač. Skratka FDM je registrovanou značkou spoločnosti Stratasys, preto sa často používa skratka FFF pre prakticky identický proces tvorby výrobkov a prototypov. Základným princípom technológie FDM / FFF je vytláčanie termoplastického materiálu po jednotlivých vrstvách. Tento proces sa podobá spôsobu, kedy pištole na taveninové lepidlo vytláčajú roztavené častice lepidla. Hlava 3D tlačiarne je zásobená termoplastickým materiálom (najčastejšie vo forme struny), ktorý sa ohrieva do čiastočne kvapalného stavu. Hlava následne presne vytláča a nanáša materiál v tenkých vrstvách. Výsledkom vrstvenie stuhnutého materiálu na predchádzajúcu vrstvu je plastický 3D model.
Proces FDM / FFF vyžaduje použitie podporných štruktúr pre väčšinu modelov s previsnutou geometriou (nedá sa tlačiť "do vzduchu"). Väčšinou to znamená použitie druhého, vo vode rozpustného materiálu, ktorý umožňuje relatívne ľahko odstrániť podporné štruktúry, akonáhle tlač je hotová.

Výhodou technológie FDM / FFF je jeho cenová dostupnosť a obrovské množstvo materiálov, ktoré je možné na výrobu 3D modelov použiť.

Selective Laser Sintering (SLS) a Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Zapekanie kovového alebo polymérového prášku vo vrstvách pomocou lasera. Modely z týchto tlačiarní sú veľmi presné. Obstaranie a prevádzku týchto tlačiarní býva veľmi nákladné. Táto technológia sa využíva predovšetkým v automobilovom a strojárenskom priemysle alebo medicíne.

Laserové spekanie (alebo niekedy ako spekanie) využíva špeciálny prášok, ktorý na stôl v komore vyplnený dusíkom nanáša v tenkej vrstve valec. Stôl s tenkou vrstvou prášku potom v miestach, ktoré sú potrebné "vytlačiť" osvieti silný laser a tým prášok spečie. Stôl sa potom o hrúbku vrstvy posunie dole a proces sa opakuje až do vytvorenia finálneho výrobku.

Pracovná komora je úplne uzavretá, pretože je potrebný udržiavať presnú teplotu počas celého procesu spekania. Po dokončení procesu spekania a vychladnutia je potrebný výrobok očistiť od prebytočného prášku. Jeden z kľúčových výhod tohto spôsobu 3D tlače je to, že prášok slúži aj ako nosná konštrukcia v procese spekania, a preto je možné zhotoviť niektoré tvarovo zložité konštrukcie, ktoré nemôžu byť vyrobené iným spôsobom.

Nevýhodu sinteringu je dlhá doba potrebná na chladenie a pórovitosť finálneho výrobku. A aj keď v poslednej dobe došlo k významnému pokroku k dosiahnutiu plne hustých častí (full dense parts), niektoré aplikácie stále vyžadujú infiltráciu s iným materiálom pre zlepšenie mechanickej charakteristiky výrobkov.

Electron beam melting (EBM)

Výstavba modelov pomocou tavenia kovového prášku (zliatiny titánu) vo vrstvách pomocou lúča elektrónov vo vysokej vákuu. Veľkou výhodou tejto technológie je ale výnimočná presnosť a vynikajúce technické vlastnosti vytlačených objektov. Technológia sa využíva v automobilovom, strojárskom priemysle a medicíne, jej vyhotovenie je ale veľmi nákladné.

Inkjet head 3D printing – Vytváranie modelu pomocou nanášania tenkej vrstvy prášku (sadra alebo živica) a tlačou spojovacieho lepidla z tlačových hláv (obdoba inkjetové tlačiarne). Relatívne dostupná a ekonomicky výhodná technológia s využitím v modelárstve, architektúre a dizajne. Umožňuje tiež plnofarebnú tlač.

Laminated object manufacturing (LOM)

Zlepovanie vrstiev lepiaceho papiera, plastu, alebo kovovej fólie na seba a následné tvarovanie nožom alebo laserom. Vytvára veľmi presné modely s kvalitným povrchom a náklady na jej obstaranie nie sú príliš vysoké. Táto technológia je však teraz skôr na ústupe a využíva sa prevažne v architektúre a geografii.

Polyjet MatriX

Vytláčanie fotopolyméru tlačovými hlavami a následné vytvrdzovanie pomocou UV lampy. Vytvára modely s veľmi kvalitným povrchom a hodí sa pre vytváranie detailov. Najčastejšie využívané v automobilovom priemysle, elektronike, medicíne alebo pre výrobcu odevov.

Material Jetting (MJ), Multi Jet Modleing (MJM)

Vytláčanie vosku tlačovými hlavami. Modely vytvorené pomocou tejto technológie sú presné a detailné, na druhej strane sú tiež veľmi jemné a ťažko sa s nimi manipuluje. Vhodné napríklad do konštrukčných kancelárií k vytváraniu menších vzoriek.

Material Jetting je podobný atramentovej tlači dokumentov, ale miesto nanášania kvapiek atramentu na papier, 3D tlačiarne využívajúce túto technológiu nanášajú kvapky fotopolyméru na pracovnú plochu. Materiál nanáša viac tlačových hláv súčasne pre vytvorenie jednotlivej vrstvy, a UV žiarenie sa potom použije na vytvrdzovanie jednotlivých vrstiev. Výhodou tohto procesu je, že odpadá postprodukcia, po ukončení tlače je model hotový. Material Jetting je zatiaľ jedinou technológiou, kedy je možné kombinovať rôzne materiály v rámci jedného výrobného procesu.

Stereolitografia (SLA)

je známa ako prvá technológia používaná pre 3D tlač. SLA je metóda vytvárania objektov pomocou postupného tvrdnutia fotopolyméry vďaka pôsobeniu laserových lúčov.

Je to zložitý proces, ale jednoducho povedané, fotopolymér je uložený v nádobe s pohyblivou platformou vnútri. Laserový lúč je smerovaný v osiach X a Y pričom živica stvrdne presne tam, kde sa laser dotkne povrchu. Akonáhle je vrstva dokončená, platforma vo vani poklesne o zlomok (v osi Z) a následná vrstva je zase vytvrdzované laserom. Celý proces sa opakuje, kým je celý objekt dokončený a platforma môže byť vysunutá pre odstránenie finálneho objektu.

Pokiaľ ide o ďalšiu postprodukciu, mnoho objektov je potrebné vyčistiť a vytvrdnúť. Vytvrdzovanie spočíva vo vystavení objektu intenzívnemu svetlu v stroji pripomínajúcemu pec, pre plné vytvrdenie živice. Stereolitografia je všeobecne vnímaná ako jeden z najviac presných 3D tlačových procesov s výbornou povrchovou úpravou.

Digital Light Processing (DLP)

DLP je podobný proces, ako stereolitografia, tiež pracuje s fotopolymérmi. Hlavný rozdiel je zdroj svetla. DLP využíva konvenčný svetelný zdroj, ako sú oblúkové lampy alebo displeja z tekutých kryštálov, ktorý je aplikovaný na celý povrch nádoby s fotopolymérmi v jednom priechodu, takže je spravidla rýchlejšia než SLA.

Tak ako SLA, aj DLP vyrába vysoko presné výrobky vo vysokom detaile. Avšak, výhodou technológie DLP oproti SLA je, že stačí plytká vaňa pre živicu, a tak DLP zväčša vedie k menšiemu odpadu a s nižšími prevádzkovýminákladmi.

Binder Jetting (BJ)

Binder Jetting je ďalšia metóda 3D tlače, pri ktorej sa používa prášok ako stavebná hmota. Atramentové tlačové hlavy nanášajú tekuté spojivo na tenkej vrstvy prášku. Lepením jednotlivých častíc dokopy, je vytvorený finálny výrobok. Binder Jetting je pomerne rýchlou technológiou, a môže používať širokú škálu materiálov. V prípade použitia farebných spojív sa dajú vyrobiť plnofarebné výrobky. Modely vyrobené touto metódou vyžadujú ďalší postprocessing, aby získali potrebné mechanické vlastnosti.

 

Vývoj ďalších technológií 3D tlače

V súčasnej dobe sa tiež experimentuje s využívaním ďalších druhov materiálov. Vedci napríklad používajú špeciálne upravené 3D tlačiarne k vytváraniu modelov pomocou kmeňových buniek. Na začiatku roka 2013 bola napríklad prvýkrát vyskúšaná 3D tlač s ľudskými embryonálnymi bunkami. V budúcnosti sa tak počíta s vytváraním vernejších modelov ľudských tkanív, čo by malo pomôcť napríklad pri výrobe nových liekov.

Ďalším netradičným materiálom môže byť napríklad čokoláda. 3D tlač začínajú totiž využívať cukrári na výrobu originálnych čokoládových tvarov, na ktoré by inak boli potrebné drahé modelovacie nástroje. Navyše si každý zákazník môže vytvoriť vlastný návrh finálneho výrobku.

Špeciálny druh 3D tlačiarne vyvíja tiež NASA. Vo vesmíre je totiž celá posádka lode odkázaná sama na seba a musia mať dostatok nástrojov na to, aby si dokázala poradiť so všetkými problémami, napríklad s opravou lode. Možnosť výroby súčiastok priamo na mieste pomôže tiež celkovo znížiť objem zásob, ktoré cestujú s ľuďmi do vesmíru.