Jeśli chodzi o najczęściej spotykane technologie druku 3D na poziomie konsumenckim, drukowanie filamentowe (FDM) i drukowanie z żywicy (SLA) są dwoma najważniejszymi.
Najprawdopodobniej jesteś już zaznajomiony z tym, jak działa drukowanie metodą FDM.
W systemie FDM termoplastyczny filament jest podawany do podgrzewanej dyszy, z której jest wyciskany na platformę roboczą, tworząc określone kształty.
Gdy nałożona warstwa stygnie, twardnieje, a proces powtarza się – nowa warstwa roztopionego plastiku jest nakładana na poprzednią warstwę.
Drukarki żywicowe wykorzystują tworzywa termoutwardzalne, a nie termoplastyczne.
Zamiast twardnieć poprzez stygnięcie, jak termoplastik, żywica utwardza się pod wpływem światła, które wywołuje reakcję polimeryzacji w żywicy.
Żywice te nazywamy fotopolimerami ze względu na ten mechanizm utwardzania.
Podobnie jak w druku FDM, druk z żywicy zazwyczaj korzysta z ruchomej osi z, na której utwardzana jest warstwa.
Po utwardzeniu warstwy platforma przesuwa się w górę (lub w dół) osi z, a następna warstwa jest nakładana i utwardzana na poprzedniej. Proces powtarza się aż do ukończenia modelu.
Drukowanie z żywicy jest w dużej mierze kategoryzowane według rodzaju źródła światła używanego do inicjacji utwardzania.
Najczęściej spotykane rodzaje to:
- SLA (stereolitografia)
- LCD (wyświetlacz ciekłokrystaliczny)
- DLP (cyfrowe przetwarzanie światła)
Omówimy je szczegółowo w następnej sekcji.
Jeśli chodzi o zalety druku z żywicy, drukowanie fotopolimerowe 3D jest znane z wysokiej precyzji i dokładności, a także zdolności do tworzenia części o gładkich powierzchniach i drobnych szczegółach.
To czyni go popularnym wyborem do tworzenia prototypów, modeli oraz części o skomplikowanych detalach, takich jak miniatury.
Dodatkowo, większość procesów związanych z żywicą jest szybsza od procesów wykorzystujących filament, ponieważ drukarki żywicowe drukują niemal natychmiastowo każdą warstwę.
Jednak wadą może być to, że technologia ta jest droższa od innych technologii druku 3D, a żywice stosowane w drukowaniu fotopolimerowym mogą mieć ograniczenia, takie jak mniejsza wytrzymałość w porównaniu do niektórych innych materiałów.
Porównanie technologii druku 3D FDM i Resin (SLA) – obok siebie
| Cecha | FDM | SLA |
|---|---|---|
| Rodzaj materiału | Filament termoplastyczny (np. PLA, ABS, PETG) | Żywica fotopolimerowa |
| Proces drukowania | Ekstruzja stopionego plastiku przez dyszę | Utwardzanie żywicy za pomocą światła UV |
| Precyzja | Mniej precyzyjne, szczególnie przy małych detalach | Bardzo wysoka precyzja, idealne do detali |
| Wydajność | Szybsze wydruki, szczególnie przy większych obiektach | Wolniejsze wydruki, szczególnie przy dużych obiektach |
| Powierzchnia wydruku | Może mieć widoczne warstwy i nierówności | Gładka powierzchnia, minimalne widoczność warstw |
| Koszt materiałów | Zwykle tańsze materiały, np. PLA, ABS | Droższe żywice, zwłaszcza wysokiej jakości |
| Typy materiałów | Duża różnorodność materiałów (np. elastyczne, wzmacniane) | Ograniczona liczba materiałów (np. standardowe, elastyczne, biokompatybilne) |
| Wydajność dla prototypów | Dobre do szybkich prototypów, mniej szczegółowe | Doskonałe do dokładnych prototypów, szczególnie z małymi detalami |
| Zastosowanie | Prototypy, elementy użytkowe, części do druku 3D | Prototypy, miniatury, elementy precyzyjne |
| Czas drukowania | Krótszy, szczególnie dla dużych modeli | Dłuższy, zwłaszcza dla detali i małych obiektów |
| Cena drukarki | Tańsze drukarki 3D | Droższe drukarki 3D, szczególnie DLP i SLA |
| Zastosowania | Prototypowanie, modelowanie, części robocze | Drukowanie miniatur, modele wysokiej precyzji, prototypy |
| Wymagana obsługa | Wymaga kalibracji stołu, większa interakcja z użytkownikiem | Większa dbałość o czystość, zmiana żywic, obsługa zbiorników |
W skrócie, FDM jest tańszą i szybszą technologią, idealną do większych projektów i mniej precyzyjnych wydruków, podczas gdy Resin (SLA) oferuje niezwykłą precyzję i detale, ale jest droższa i wolniejsza, co czyni ją lepszą do bardziej skomplikowanych, wymagających wydruków.
Przegląd procesu druku z żywicy
Niezależnie od konkretnego procesu używanego w druku z żywicy, reakcja fotopolimerowa działa na tych samych zasadach.
Fotopolimeryzacja to proces, w którym światło inicjuje i napędza reakcję chemiczną w polimeryzowalnym materiale.
Polega na przekształceniu ciekłego monomeru lub oligomeru w stały polimer dzięki dodaniu energii świetlnej.
Proces odbywa się w trzech etapach:
- Absorpcja: Monomer lub oligomer pochłania energię świetlną, co powoduje, że jego cząsteczki stają się wzbudzone.
- Inicjacja: Wzbudzone cząsteczki reagują z niewielką ilością chemicznego inicjatora, co rozpoczyna reakcję polimeryzacji.
- Propagacja: Reakcja trwa, gdy wzbudzone cząsteczki monomeru łączą się ze sobą, tworząc długie łańcuchy polimerowe.
Różne żywice aktywują się przy różnych długościach fal światła.
Większość niskobudżetowych systemów LCD używa źródła światła UV o długości fali 405 nm, natomiast wyższej klasy drukarki żywicowe korzystają z źródeł światła o długości 385 nm.
Drukarki o długości fali 385 nm opierają się wyłącznie na technologii DLP.
Teraz przyjrzyjmy się trzem najczęściej spotykanym technologiom drukarek do żywic fotopolimerowych.
SLA
SLA (stereolitografia) to najstarsza technologia druku z żywicy.
W tradycyjnym rozumieniu tego terminu SLA zazwyczaj używa lasera do rozpoczęcia procesu utwardzania.
Laser kieruje swoją wiązkę na zmotoryzowane lustro, które odbija ją w stronę zbiornika z żywicą, utwardzając ją warstwa po warstwie.
Kształt wiązki w systemie SLA jest okrągły, więc najmniejsze szczegóły mają okrągłe krawędzie, co można dostrzec pod mikroskopem.
LCD
LCD (wyświetlacz ciekłokrystaliczny), znany również jako mSLA lub maskowane SLA.
Zamiast używać lasera do skanowania po kształcie g-kodu (co zajmuje więcej czasu), proces mSLA wykorzystuje ekran LCD, aby oświetlić całą warstwę jednocześnie.
Maska jest tworzona przez ciemne piksele na ekranie LCD, co zapobiega utwardzaniu niektórych sekcji warstwy, podczas gdy geometria części jest utwardzana przez aktywne/podświetlone piksele.
Warto zauważyć, że choć drukarki LCD są obecnie bardzo tanie, ekran LCD jest elementem zużywającym się i może wymagać wymiany już po około 500 godzinach drukowania.
Weź to pod uwagę, jeśli uważasz, że drukarka LCD to okazja.
W niektórych zastosowaniach stanowią doskonałą wartość, ale jeśli planujesz korzystać z większej drukarki LCD przez 24 godziny na dobę, możesz spotkać się z miesięcznymi kosztami wymiany ekranu LCD sięgającymi kilkuset dolarów.
Jeśli planujesz drukowanie o wysokiej przepustowości, wkraczasz na obszar druku przemysłowego i warto rozważyć drukarkę przemysłową, taką jak SLA oparta na laserze lub system DLP.
Ponieważ piksele na ekranie LCD mają kształt kwadratowy, drukowane woksele są również kwadratowe, chociaż bez mikroskopu nie jest to widoczne.
DLP
Drukowanie DLP to rodzaj technologii druku 3D, która wykorzystuje projektor do odbijania całego światła na piksel za pomocą mikrolustra (których na układzie znajduje się setki).
Dzięki temu nie ma zbieżności światła, co pozwala na wyraźniejszy kontrast czerni i bieli.
Drukarki LCD, z drugiej strony, koncentrują całe światło na jednym pikselu, co może powodować nierówności i cienie na krawędziach modeli.
Oprócz źródła światła, te dwie technologie różnią się również pod względem prędkości druku i precyzji.
Drukarki DLP są zazwyczaj szybsze, ponieważ ich źródła światła są bardziej intensywne, co umożliwia szybsze utwardzanie żywicy.
Dobrze radzą sobie również pod względem precyzji w małej skali, co czyni je odpowiednimi do tworzenia skomplikowanych detali.
Z drugiej strony, drukarki LCD wyższej klasy mają tendencję do bycia bardziej precyzyjnymi przy drukowaniu większych modeli.
Dzieje się tak, ponieważ ekran LCD może dostarczyć obraz o wyższej rozdzielczości, co skutkuje drobniejszymi detalami i gładszymi powierzchniami.
Ogólnie rzecz biorąc, wybór między tymi dwoma technologiami zależy od specyficznych wymagań projektu i pożądanego rezultatu.
Systemy oparte na DLP mają znacznie dłuższą żywotność niż systemy LCD pod względem źródła światła.
Podczas gdy ekran LCD może wymagać wymiany co 500–1000 godzin, źródło światła DLP może działać do 20 000 godzin, co jest szczególnie prawdziwe w przypadku technologii DLP firmy Texas Instruments.
Chociaż DLP to technologia wyższej klasy, dostępne są tańsze drukarki, takie jak Anycubic Photon D2, która kosztuje około 600 USD.
Rodzaje materiałów do druku z żywicy
Przykłady żywic:
Źródło: Standard Resin – ELEGOO, ABS-like Resin – Phrozen, PowerResins Dental Model – DentaFab
-
Standardowa żywica: Tanio i skutecznie, to najczęściej używana żywica w drukarkach 3D z żywicą. Jest aktywowana przez światło UV i utwardza się (twardnieje) pod wpływem tego światła. W niższej cenie można ją kupić za około 30 USD za litr i nadaje się do ogólnych prototypów lub do sprawdzania formy i dopasowania części.
-
Żywica dentystyczna: Ten typ żywicy jest specjalnie formułowany do zastosowań stomatologicznych, jest biokompatybilny i bezpieczny do użycia w jamie ustnej.
-
Żywica elastyczna: Te żywice elastomerowe są formułowane, aby być elastyczne i sprężyste, co sprawia, że nadają się do drukowania elastycznych części i prototypów, takich jak zawiasy żywe, a także uszczelek i uszczelnień.
-
Żywica odlewnicza: Ten typ żywicy jest formułowany do odlewania, umożliwiając tworzenie wysokiej jakości części metalowych do biżuterii, zabawek i innych produktów. Jest zaprojektowana w celu naśladowania żywic jubilerskich i stosowana w procesie odlewania woskowego.
-
Żywica przezroczysta: Ta żywica jest formułowana tak, aby była przezroczysta, pozwalając na tworzenie części i prototypów, przez które przechodzi światło.
-
Żywica wysokotemperaturowa: Żywice wysokotemperaturowe są formułowane, aby wytrzymać wysokie temperatury, co sprawia, że są idealne do tworzenia prototypów lub części końcowych, które będą narażone na ciepło. Jednym z takich zastosowań jest tworzenie form. Często charakteryzują się wysoką HDT (temperatura odkształcenia pod wpływem ciepła), co oznacza, że odporne są na odkształcenia w wysokich temperaturach.
-
Żywica inżynieryjna: Ta żywica jest formułowana w celu zapewnienia dużej wytrzymałości, sztywności i twardości, co sprawia, że nadaje się do zastosowań inżynieryjnych, takich jak prototypowanie i testowanie funkcjonalne. Żywice inżynieryjne są zazwyczaj znacznie droższe.
-
Żywica biobazowa: Ten typ żywicy jest produkowany z odnawialnych i zrównoważonych źródeł, co czyni ją ekologiczną opcją do druku 3D. Wiele z nich opartych jest na oleju sojowym, który przekształca się w akrylany używane w żywicach do druku 3D.
-
Żywice napełnione: Niektóre żywice zyskują na jakości dzięki dodatkom wypełniaczy, takich jak węgiel, tworząc kompozyty na bazie żywicy. Dodatek wypełniacza może zwiększyć wytrzymałość i sztywność materiału.
Przykłady zastosowań i branż
Medycyna
Drukowanie 3D jest szeroko stosowane w medycynie, szczególnie w planowaniu chirurgicznym, gdy chirurdzy przygotowują się do skomplikowanych i niebezpiecznych operacji.
Stworzone zostały żywice na specjalne zamówienie do różnych zastosowań medycznych, w tym do celowanych terapii nowotworowych oraz biosensorów, które mogą pewnego dnia zostać wszczepione w ludzkie ciało.
Chociaż powszechne implanty z żywicy mogą być jeszcze odległą przyszłością, żywice te są często wykorzystywane jako przewodniki chirurgiczne, formy, uchwyty, mocowania i inne urządzenia końcowe.
Wiele żywic jest odpornych na ciepło, co pozwala na ich sterylizację, a inne są biokompatybilne, co oznacza, że nie zabijają ludzkich komórek.
Stomatologia
Stomatologia
Stomatologia to branża, która wymaga dużej ilości dostosowań, ponieważ zęby są różne!
Tradycyjnie produkty stomatologiczne (takie jak implanty) są frezowane za pomocą maszyny CNC, co jest czasochłonne i kosztowne.
Dzięki drukowaniu 3D (i skanowaniu 3D) dentyści coraz częściej sięgają po drukowanie 3D, a wiele klinik posiada drukarki 3D na miejscu, umożliwiając produkcję w gabinecie.
Żywice oferują doskonałe właściwości materiałowe, biokompatybilność oraz wysoką rozdzielczość – idealne do szerokiego zakresu produktów stomatologicznych.
Mikrofuidyka
Urządzenia mikropłynowe wymagają gładkich wnętrz, aby zapewnić przewidywalny przepływ przez kanały.
Technologie drukowania na żywicy oferują wyższą rozdzielczość, a więc lepsze wykończenie powierzchni, co sprawia, że są doskonałe do urządzeń mikropłynowych.
Dostępnych jest również wiele przezroczystych żywic, które pozwalają inżynierowi zobaczyć, co dzieje się wewnątrz urządzenia.
Prototypowanie
Czasami potrzebujesz prototypu, który zostanie wykonany szybko i będzie precyzyjny.
W takich przypadkach drukowanie FDM może nie wystarczyć.
Kiedy projektujesz części o wąskich tolerancjach wymiarowych i nie chcesz czekać na maszynę CNC, drukowanie na żywicy oferuje rozwiązanie.
Chociaż większość standardowych żywic może nie dorównywać częściom plastikowym z FDM pod względem trwałości i wytrzymałości, oferują one dobrą dokładność wymiarową i doskonałe wykończenie powierzchni, co może być dokładnie tym, czego potrzebujesz do prototypu lub testowania formy i dopasowania.
Formowanie
Formowanie
Formowanie występuje w wielu formach, niezależnie od tego, czy jest to formowanie wtryskowe, odlewanie czy cokolwiek pomiędzy.
Ponieważ przedmiot formowany przyjmuje wykończenie powierzchni formy, kluczowe dla jakości wykończenia części jest to, aby sama forma miała gładką powierzchnię.
Tutaj wkracza drukowanie z żywicy.
Wiele żywic nadaje się również do obróbki, co oznacza, że można osiągnąć jeszcze wyższej jakości wykończenie powierzchni. Ponadto wiele procesów formowania wymaga odporności na wysokie temperatury, ponieważ używają one roztopionych termoplastów jako surowca.
Na rynku dostępne są teraz żywice o wysokiej odporności na temperaturę, które nadają się do formowania wtryskowego przy niskiej produkcji.
Są nawet żywice rozpuszczalne, które umożliwiają formowanie wysoce skomplikowanych części, które nie byłyby możliwe do wykonania bez druku 3D.
Podsumowanie
Podsumowując, drukowanie z żywicy to proces 3D fotopolimerowy, który wykorzystuje światło do utwardzania ciekłej żywicy w stałe warstwy polimerowe.
Proces odbywa się w trzech etapach: absorpcji, inicjacji i propagacji.
Drukowanie z żywicy jest zazwyczaj szybsze niż drukowanie oparte na filamentach i jest znane z produkcji bardzo dokładnych i szczegółowych wydruków z gładkimi powierzchniami i drobnymi detalami.
Jednakże, może być droższe niż inne technologie druku 3D, a żywice używane w tym procesie mogą mieć ograniczenia pod względem wytrzymałości w porównaniu do innych materiałów.
Trzy najpopularniejsze technologie drukowania z żywicy to SLA, LCD i DLP.
Każda z technologii ma swoje zalety i ograniczenia, a wybór technologii zależy od specyficznych wymagań projektu oraz oczywiście kosztów.
Pamiętaj, że w druku z żywicy jest wiele materiałów eksploatacyjnych, nie tylko sama żywica.
Wiele systemów drukujących wymaga wymiany samych zbiorników, ponieważ ciągłe używanie żywicy może powodować utratę przejrzystości, co wpływa na jakość wydruków.
Inne systemy mogą wymagać wymiany warstwy plastiku na stole roboczym po wielokrotnym użyciu, dlatego przed zakupem warto zapoznać się z recenzjami specyficznymi dla systemu.
