Czym jest druk 3D? Zastosowanie, materiały i technologia wydruku

Temat druku trójwymiarowego przeplata się w relacjach medialnych niezwykle często. Technika tworzenia przestrzennych form, przy użyciu prostych technik drukarskich, jest dla wielu osób czymś niezrozumiałym i jednocześnie bardzo pożądanym. Druk 3D korzysta z możliwości, jakie daje wykorzystanie tworzyw sztucznych do konstruowania różnorodnych kształtów. Drukowanie przestrzenne jest technologią coraz bardziej rozchwytywaną, która w ostatnich latach notuje skokowy wzrost popularności. Produkty wytwarzane za pomocą drukarki 3D sprawdzają się zarówno w życiu codziennym, jak i w branżach przemysłowych zajmujących się komercyjną produkcją.

Czym jest druk 3D? W jaki sposób powstaje druk przestrzenny? Co można stworzyć za pomocą drukarki? Jaki materiał stosuje się w domowym druku 3D? Jak wyposażyć domowe biuro w nowoczesne urządzenie drukujące? Sprawdź dostępne sposoby wykorzystania druku 3D w praktyce.

Co to jest drukowanie przestrzenne 3D?

Druk 3D to wielowątkowy proces, który polega na wytwarzaniu przestrzennych, użytecznych form z różnorodnych materiałów implementowanych do urządzenia. Przedmioty, które wychodzą spod ręki operatora drukarki, są zgodne z ustaleniami projektowymi – dzięki czemu pojawia się możliwość drukowania niezwykle precyzyjnych form i produktów. Pojemna definicja druku 3D obejmuje nie tylko projekty prototypowe, ale także produkcję skomplikowanych kształtów o rzeczywistych walorach użytkowych. Niegdyś druk 3D był wykorzystywany wyłącznie do tworzenia przedmiotów prototypowych, a wydruki miały charakter głównie podglądowy. Dziś, wraz z rozwojem technologii, metody produkcji przedmiotów w drukarkach są już dużo bardziej zaawansowane. To zaś otwiera możliwości do tego, aby drukarka 3D znalazła swoje zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu.

Krótka historia druku 3D – firma, która zajęła się komercyjną produkcją

Najnowsza historia druku trójwymiarowego ma swój początek w latach 80. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Opracowano wówczas technologię druku 3D określaną jako stereolitografia, która wykorzystuje do tworzenia przestrzennych form żywice światłoutwardzalne laserowo. W 1986 roku powołano do funkcjonowania przedsiębiorstwo 3D Systems, które jako pierwsze zajmowało się produkcją maszyn do tworzenia przestrzennych kształtów. Ówcześnie utworzony format pliku STL do dziś wykorzystywany jest do tworzenia komputerowych instrukcji dla drukarek. Prawdziwy przełom w wykorzystaniu drukarki 3D miał miejsce na początku XXI wieku, kiedy to stworzono pierwsze elementy i akcesoria o przeznaczeniu medycznym. Współcześnie drukarki 3D są w stanie wykonywać zróżnicowane protezy, tkanki a nawet narządy. W 2021 roku zaimplementowano po raz pierwszy protezę oka, którą wykonano w całości za pomocą technologii druku 3D. W dziedzinie druku 3D systematycznie osiągane są coraz to nowsze kamienie milowe. Metoda wielofotonowej fotopolaryzacji pozwala na bardzo precyzyjne wytwarzanie niemalże mikroskopijnych elementów. Drukowanie przestrzenne, choćby z tego powodu, zaliczane jest do najbardziej perspektywicznych technologii przyszłości.

Druk 3D – rodzaje. Rozgraniczenie szeregu technologii różniących się od siebie

W ramach druku 3D stosuje się wiele zróżnicowanych technik, które pozwalają na wykonywanie przestrzennych obiektów z niemalże dowolnych materiałów budulcowych. Poszczególne typy druku różnią się od siebie precyzją wykonania i sposobem, w jaki nakładany jest dany materiał. Niektóre techniki, ze względu na swoją szybkość produkcyjną, wykorzystywane są w tworzeniu np. zabawek. Tam, gdzie potrzebna jest największa dokładność, wykorzystuje się jeszcze inne technologie charakteryzujące się wysoką precyzją i dłuższym czasem trwania procesu. Wśród kategorii druku 3D wyróżnia się m.in.:

• Fused Deposition Modelling (FDM). Rodzaj druku 3D zaliczany do technik rapid prototyping, w których rozgrzany materiał przeciskany jest przez gorącą dyszę, która rozprowadza tworzywo zgodnie z wdrożoną instrukcją działania.
• Digital Light Processing (DLP). Wykorzystuje do produkcji obiektów fotopolimerową żywicę, której następuje utwardzanie za pomocą wiązki światła z projektora.
• Selective Laser Sintering (SLS). Druk 3D korzystający z materiałów syntetycznych i sproszkowanych, np. plastiku, które następnie są roztapiane laserem osiągając pożądany format.
• Multi Jet Printing (MJP). Druk wykonywany z żywic światłoutwardzalnych, których dotyczy obróbka światłem UV.
• Stereolitografia (SLA). Pierwotny sposób używany w pierwszych drukarkach trójwymiarowych. Technika opatentowana w 1986 roku.
• Binder Jetting. Metoda, która pozwala na połączenie w odpowiedni sposób substancji takich jak piasek lub sproszkowany metal.
• Inne metody. Wykorzystujące osiągnięcia nowoczesnych technologii, np. druk żywności, elementów tkankowych, drukowanie z betonu itd.

Rodzaje substancji, materiałów i tworzyw sztucznych w druku 3D

Technologia druku 3D pozwala na tworzenie obiektów przestrzennych posiadających różny materiał budulcowy w swoim składzie. Drukowanie odbywa się z wykorzystaniem papieru, materiałów kompozytowych, gipsu, betonu, piasku – a nawet – materiałami biologicznymi. Przemysłowy, zaawansowany sprzęt może wykonywać przedmioty z niemalże dowolnej substancji. Na nietypowych drukarkach 3D można tworzyć formy z czekolady, cukru czy materiałów gumowych. Materiały przeznaczone do drukowania przestrzennego to także:

• różne formy papieru, plastiku i tworzyw sztucznych (nylony, winyle);
• polimery pochodzenia roślinnego;
• ceramiki;
• metale;
• żywica;
• grafen;
• i wiele innych dedykowanych materiałów.

Materiał budulcowy to nie wszystko. Ważnym elementem wydruku 3D jest lepiszcze, które spaja popularne materiały zapewniając możliwość ich realnego wykorzystania. Techniki, które są wykorzystywane w łączeniu poszczególnych elementów produktu z wydruku, to m.in. klejenie i łączenie substancjami chemicznymi. Często do łączenia poszczególnych materiałów stosuje się wysoką temperaturę, energię mechaniczną czy naświetlanie laserowe.

Więcej o materiałach i tworzywach stosowanych w druku 3D przeczytasz w tym artykule: Filament – materiał do drukarki 3D – czym jest i jaki wybrać?

Technologia drukowania 3D. Sprawdź popularne urządzenia

Druk 3D to technologia, która ma ogromne możliwości użytkowe. Urządzenia drukujące dzieli się m.in. z uwagi na użyty materiał, dokładność i technologię wydruku. Przestrzenne drukarki mogą być dostępne dla każdego: umożliwiają wykonywanie trójwymiarowych form w warunkach domowych. Do obsługi urządzenia nie trzeba posiadać zaawansowanych umiejętności technicznych. W przestrzeni internetowej bez problemu znajdziemy gotowe pliki projektowe w formacie .stl, które pozwalają na dokonanie w pełni użytecznego wydruku. Drukowanie obiektów metalowych, czy zaawansowana obróbka skrawaniem, nie jest do końca możliwa w warunkach domowych, choćby ze względu na wysoką cenę urządzeń i brak powszechnej dostępności nowoczesnych technologii. Jakie modele drukarek są dostępne w otwartej sprzedaży? Zobacz poniżej cztery przykładowe propozycje.

1. Zortrax M200 (cena ok. 10 tys. złotych). Umożliwia druk 3D z wykorzystaniem materiałów: PLA i ABS. Obszar roboczy drukarki to 180x200x190 milimetrów.
2. Sygnis FlashForge Adventurer 4 (cena ok. 4 tys. złotych). Zapewnia druk 3D przy użyciu materiałów: PLA, ABS lub PETG. Obszar roboczy sprzętu to aż 220x200x250 milimetrów, co pozwala na uzyskanie całkiem dużego formatu wydruku.
3. Creality 3D Ender-3 V2 (cena ok. 1 tys. złotych). Produkt umożliwiający druk 3D w technologii FDM. Drukarka obsługuje formaty plików .stl i .obj, a jej szybkość wydruku to ok. 180 mm/s.
4. Polaroid Play 3D Pen (cena ok. 200 złotych). To pisak 3D przeznaczony dla osób chcących wykonywać przestrzenne kształty. Pozwala na tworzenie zabawek, modeli trójwymiarowych i płaskorzeźb z materiału PLA. Średnica filamentu (dozowanego materiału w formie włókna) to 1,75 milimetrów.

Druk 3D. Jakie produkty można stworzyć za pomocą narzędzi drukarskich w domu?

Zakupiony towar w postaci drukarki pozwala na druk 3D wielu przestrzennych kształtów. To, jak będzie się prezentować wykonany przedmiot, zależy w dużej mierze od rodzaju urządzenia, jakości projektu i możliwości drukarki. Głównym ogranicznikiem jest jednak… wyobraźnia twórcy! Najtańsze modele i oferty drukarek można znaleźć w sklepie już za kilkaset złotych. Jakie kategorie przedmiotów może wyprodukować drukarka w domu?

• Zabawki.
• Pomoce dydaktyczne.
• Obudowy.
• Biżuterię i ozdoby.
• Dzieła sztuki.
• Narzędzia.
• I inne produkty, których zakres funkcjonalności jest bardzo szeroki.

Czy druk 3D może być niebezpieczny?

Drukarka wykorzystująca materiały syntetyczne do produkcji kształtów może generować wysoką temperaturę pracy. Stapiany materiał sztuczny jest w stanie emitować do otoczenia szereg niebezpiecznych związków. Ekspozycja na wydzielanie związków z substancji takich jak FDM lub ABS może rodzić potencjalne niebezpieczeństwo dla użytkownika. Sugeruje się, aby drukarka wykorzystująca takie metody pracowała w zamkniętym pomieszczeniu, do którego nie mają dostępu dzieci. Odpowiednie filtry w maskach ochronnych częściowo zabezpieczają przed działaniem czynników drażniących. Innym niebezpieczeństwem związanym z eksploatacją drukarek 3D jest potencjalne ryzyko wykonania niebezpiecznych przedmiotów. Dotyczy to głównie najbardziej zaawansowanych urządzeń przemysłowych – drukarka o przeznaczeniu domowym nie jest w stanie stworzyć np. broni palnej.

Druk 3D – podsumowanie

Druk 3D to technologia przyszłości, której specjaliści wieszczą ogromną karierę. Obecnie profesjonalne wydruki 3D stosuje się w medycynie, wojskowości czy lotnictwie. Lista zalet związanych z użytkowaniem sprzętów drukujących w trzech wymiarach jest przeogromna. Druk 3D stanowi opłacalną alternatywę dla innych technik produkcyjnych, w związku z czym tego typu urządzenia stosuje się w różnych zakładach wytwórczych. Druk 3D może być także realizowany w warunkach mieszkaniowych – do tworzenia ciekawych i pomysłowych kształtów o wysokich walorach funkcjonalnych.