Wielomateriałowy druk 3D
Wielomateriałowy druk 3D to procedura wytwarzania przyrostowego polegająca na wykorzystaniu wielu materiałów jednocześnie do wytworzenia obiektu. Podobnie jak w przypadku wytwarzania addytywnego z jednego materiału, można to realizować metodami takimi jak druk 3D FFF , SLA i Inkjet (natryskiwanie materiałów) . Rozszerzając przestrzeń projektową na różne materiały, stwarza możliwości tworzenia drukowanych obiektów 3D o różnych kolorach lub o różnych właściwościach materiału, takich jak elastyczność lub rozpuszczalność . Pierwsza wielomateriałowa drukarka 3D Fab@Home została publicznie udostępniona w 2006 roku. Koncepcja została szybko przyjęta przez przemysł, a następnie wiele gotowych dla konsumentów wielomateriałowych drukarek 3D.
Wielomateriałowe technologie druku 3D
Wytwarzanie topionego włókna (FFF)
Fused Filament Fabrication (znane również jako Fused Deposition Modeling – FDM) opisuje proces ciągłego wytłaczania linii materiału termoplastycznego w celu utworzenia trójwymiarowego modelu. Proces FFF obsługuje różnorodne materiały, począwszy od biodegradowalnych, takich jak PLA , PETG , ABS i materiały klasy inżynierskiej, takie jak PEEK . Technologia ta dodatkowo pozwala na zastosowanie elastycznych materiałów takich jak TPU . Dwa możliwe rozwiązania realizacji wielomateriałowej drukarki 3D FFF to:
Pojedyncza konstrukcja dyszy
Konstrukcja z pojedynczą dyszą łączy różne materiały przed lub w strefie topienia głowicy drukującej w taki sposób, że materiały są wytłaczane przez tę samą dyszę . Na przykład: różne włókna można ciąć i ponownie łączyć w pojedyncze pasmo mieszanego włókna przed wprowadzeniem do komory topienia. Taka technika jest zaimplementowana w Palecie Mosaic. Innym przykładem jest aktualizacja wielu materiałów przez Prusa3d, która jest montowana na drukarce z jednym materiałem, aby dodać możliwości wielu materiałów. Używa łuku system wytłaczania stylu z dodatkową osią do cięcia i wyboru materiału. Aby zapobiec zanieczyszczeniom wewnątrz obiektu, przed użyciem nowej komory topienia należy oczyścić ją z poprzedniego materiału. W zależności od wdrożenia, ilość odpadów powstających podczas procesu drukowania może być znacząca. W niektórych wdrożeniach poprzedni materiał może być użyty jako wypełnienie, aby zapobiec marnotrawstwu lub do jednoczesnego drukowania innego przedmiotu, w którym kolor nie ma znaczenia.
Konstrukcja z wieloma dyszami
Konstrukcja z wieloma dyszami obejmuje oddzielną dyszę dla każdego materiału. Dyszę można zamontować na tej samej głowicy drukującej lub na niezależnych głowicach drukujących. Aby to podejście zadziałało, różne dysze muszą być skalibrowane na dokładnie tej samej wysokości względem powierzchni drukowania, aby uniknąć interferencji nieaktywnej dyszy z drukowanym przedmiotem. Taka konstrukcja znacznie zmniejsza ilość materiału odpadowego podczas procesu drukowania w porównaniu z konstrukcją z pojedynczą dyszą, która nie wykorzystuje poprzedniego materiału jako wypełnienia lub drukowania innego przedmiotu.
Stereolitografia (SLA)
Stereolitografia to proces zestalania fotopolimeru za pomocą lasera warstwa po warstwie w celu utworzenia trójwymiarowego obiektu. Aby zrealizować wydruki wielomateriałowe tą technologią, można użyć wielu zbiorników na różne fotopolimery. Głównym problemem związanym z tym podejściem jest usunięcie jeszcze niespolimeryzowanego materiału, ponieważ wydruk może zawierać ubytki wypełnione starym materiałem, które należy opróżnić przed użyciem następnego materiału. Żywice fotopolimerowe stosowane w SLA mogą mieć bardzo różne właściwości fizyczne, na ogół są bardziej kruche i mają niższą temperaturę ugięcia pod wpływem ciepła. Standardowe żywice SLA są dostępne w różnych kolorach i stopniach zmętnienia. Oprócz materiałów klasy inżynierskiej, takich jak ABS lub PP , istnieją żywice biokompatybilne stosowane w medycynie oraz żywice elastyczne.
Natryskiwanie materiału
Proces nanoszenia materiału, często nazywany również drukiem atramentowym 3D, jest podobny do procedury drukowania atramentowego 2D. Głowica drukująca składa się z wielu małych dysz, które na żądanie wyrzucają kropelki fotopolimerów. Każda dysza może wytłaczać inny materiał, co pozwala na tworzenie części wielomateriałowych. Kropelki materiału są następnie natychmiast utwardzane za pomocą źródła światła UV zamontowanego na głowicy drukującej. W przeciwieństwie do procesu drukowania FFF, warstwa nie jest tworzona przez przesuwanie głowicy drukującej po wcześniej obliczonej ścieżce, ale przez skanowanie warstwy linia po linii. Na przykład Statasys J750 umożliwia drukowanie w pełnym kolorze. Materiały obsługiwane w procesie drukowania strumieniowego materiałów są podobne do materiałów w procesie SLA, a zatem mają podobne właściwości. Ponadto poczyniono postępy w dziedzinie natryskiwania metali poprzez zawieszanie nanocząstek metalu w płynie. Po usunięciu materiału podporowego wydrukowany obiekt musi być spiekane , aby stworzyć ostateczną metalową część.
Natryskiwanie spoiwa
Drukarka 3D wykorzystująca spoiwo wykorzystuje cząsteczki drobnoziarnistego proszku, które są łączone ze sobą za pomocą spoiwa , tworząc trójwymiarowy obiekt. W zasadzie składa się z dwóch oddzielnych komór: jedna pełni rolę zasobnika na sproszkowany materiał, druga pełni funkcję komory drukującej. Aby wytworzyć warstwę przedmiotu, ostrze wypycha materiał ze zbiornika i rozprowadza go po powierzchni drukowania, tworząc cienką warstwę proszku. Głowica drukująca podobna do tej, którą można znaleźć w drukarce atramentowej 2D, nakłada następnie spoiwo na warstwę, aby zestalić ją i związać z poprzednią. Chociaż natryskiwanie spoiwa nie pozwala na podparcie wielomateriałowe, istnieją drukarki wyposażone w drugą głowicę drukującą do nakładania pigmentu na warstwę po segregator umożliwiający wydruki w pełnym kolorze.
Przepływ pracy
Projektowanie
Projektowanie trójwymiarowego obiektu to pierwszy krok w procesie drukowania 3D. Ten proces projektowania może być wspierany przez oprogramowanie . Takie CAD jest w stanie tworzyć, zarządzać i manipulować różnymi figurami geometrycznymi 3D, jednocześnie przekazując użytkownikowi informacje zwrotne za pośrednictwem interfejsu graficznego . Większość programów CAD obsługuje już adnotację figury geometrycznej za pomocą materiału. Kombinacja różnych geometrii tworzy wtedy pojedynczy, wielokrotny obiekt materialny. Jednak nie wszystkie formaty plików obsługują adnotacje materiałów wraz z geometrią obiektu.
Krajanie na plastry
Cięcie to proces dzielenia modelu 3D na warstwy w celu przekształcenia ich w sekwencję instrukcji G-Code . Instrukcje te mogą zostać przetworzone przez drukarkę 3D w celu wyprodukowania odpowiedniego modelu w sposób oddolny, górny lub nawet od lewej do prawej. Przed wygenerowaniem instrukcji można dodać struktury wspierające, aby połączyć wystające sekcje modelu z powierzchnią drukowania lub innymi częściami modelu. Struktury wspierające muszą zostać usunięte na etapie przetwarzania końcowego po zakończeniu drukowania.
Proces krojenia wydruków wielomateriałowych różni się w zależności od używanego sprzętu. W przypadku FFF należy dodać instrukcje dotyczące zmiany materiału. Wiąże się to z wieloma wyzwaniami obliczeniowymi, takimi jak obsługa dwóch głowic drukujących w tym samym czasie bez ich wzajemnego zakłócania lub czyszczenie komory topienia z poprzedniego materiału. Dla umowy SLA opartych na wielu materiałach, oprogramowanie do krojenia musi obsługiwać dodatkowe stopnie swobody wynikające z możliwości przenoszenia wydruku z jednej tacki z żywicą do następnej. Procedura krojenia dla drukarek strumieniowych polega na generowaniu wielu obrazów bitmapowych reprezentujących woksele obiektu.
Przetwarzanie końcowe
Wydrukowane obiekty 3D mogą wymagać obróbki końcowej, zanim będą mogły zostać użyte jako prototyp lub gotowy produkt. Takie etapy obróbki końcowej mogą obejmować szlifowanie powierzchni obiektu w celu wygładzenia lub pomalowanie go w celu dopasowania do kolorów projektu. W zależności od metody druku i geometrii obiektów może być konieczne usunięcie konstrukcji wsporczych. Zastosowanie wielomateriałowego druku 3D zmniejsza ilość obróbki końcowej potrzebnej do uzyskania tego samego rezultatu, ponieważ kolory można drukować bezpośrednio. Ponadto możliwe jest użycie materiału rozpuszczalnego w wodzie do drukowania struktur podporowych, ponieważ ich usunięcie polega jedynie na umieszczeniu przedmiotu w kąpieli wodnej.
Aplikacje
Druk 3D żywności
Rosnący trend drukowania 3D żywności wspiera dostosowywanie kształtu, koloru, smaku, tekstury i wartości odżywczych różnych posiłków. Wielomateriałowy druk 3D umożliwia wykorzystanie wielu składników, takich jak masło orzechowe, galaretka czy ciasto w procesie drukowania, który jest niezbędny do stworzenia większości produktów spożywczych.
Zastosowania medyczne
Wielomateriałowa technologia druku 3D jest często wykorzystywana w produkcji protez drukowanych w 3D . Umożliwia zastosowanie różnych materiałów, takich jak miękki TPU w punktach styku z ciałem oraz sztywny materiał z włókna węglowego na korpus protezy. Protezę można zatem dostosować do różnych potrzeb i pragnień danej osoby.
Innym przypadkiem zastosowania medycznego jest generowanie sztucznych struktur tkankowych. Badania koncentrują się na stworzeniu tkanki, która naśladuje ludzką tkankę pod względem dotyku, elastyczności i struktury. Takie sztuczne tkanki mogą być wykorzystywane przez chirurgów do szkolenia i uczenia się na realistycznych modelach, co w innym przypadku jest trudne lub kosztowne do osiągnięcia.
Obecne badania koncentrują się na drukowanych w 3D systemach dostarczania leków w celu skutecznego zastosowania leku lub szczepionki . Poprzez zastosowanie wielomateriałowego druku tworzą biokompatybilne struktury, które mogą wchodzić w interakcje z ludzkim ciałem na poziomie komórkowym.
Właściwości fizyczne
Możliwość przełączania się między różnymi materiałami jest niezbędna do kontrolowania właściwości fizycznych drukowanego obiektu 3D. Oprócz możliwości manipulowania wytrzymałością przedmiotu poprzez mikrostruktury , użytkownik może przełączać się między twardszymi lub bardziej miękkimi materiałami w procesie drukowania, aby wpłynąć na sztywność przedmiotu. Połączenie twardych i miękkich materiałów jest również stosowane do wytwarzania struktury biomimetycznej o pożądanych właściwościach. Użycie materiałów o innym kolorze lub elastyczności może wpłynąć na wygląd i wrażenia dotykowe powstałego obiektu. Dodatkowo możliwe jest zmniejszenie ilości potrzebnej obróbki końcowej poprzez wybór odpowiedniego materiału na konstrukcje wsporcze lub zewnętrzny kadłub części.
Szybkie prototypowanie
Wielomateriałowy druk 3D umożliwia projektantom szybkie wytwarzanie i testowanie prototypów. Zastosowanie wielu materiałów w jednej części umożliwia projektantowi tworzenie funkcjonalnych i atrakcyjnych wizualnie prototypów. Przykładem tego, jak można włączyć druk 3D w proces projektowania, jest projektowanie samochodów . Tam trzeba szybko przetestować i zweryfikować prototyp, aby uzyskać projekt dopuszczony do produkcji. Zredukowane etapy przetwarzania końcowego wywołane wielomateriałową technologią druku 3D skutkują krótszym czasem produkcji. Ponadto wielomateriałowy druk 3D zmniejsza liczbę części produkowanych prototypów w porównaniu z tradycyjnymi metodami wytwarzania, takimi jak frezowanie lub formowanie , ponieważ montaż wielu części z różnych materiałów nie jest już wymagany.
Formaty plików
Istnieje wiele formatów plików reprezentujących trójwymiarowe obiekty, które nadają się do drukowania 3D. Jednak nie wszystkie z nich obsługują definicję różnych materiałów w tym samym pliku co geometria. W poniższej tabeli wymieniono najpopularniejsze formaty plików i ich możliwości:
| Format pliku | Tryb działania | Wsparcie wielu materiałów | Uwagi |
|---|---|---|---|
| STL | surowa, niestrukturalna trójkątna powierzchnia | NIE | Obsługę wielu materiałów można uzyskać, zapisując jedną siatkę STL na materiał, co skutkuje powstaniem wielu plików dla tych samych obiektów 3D. |
| OBJ | wierzchołki , mapowanie tekstur, normalne wierzchołków i twarze | NIE | Wsparcie dla wielu materiałów można łatwo osiągnąć za pomocą towarzyszącego formatu pliku MTL . |
| 3MF | wierzchołki i trójkąty zapisane jako XML | Tak | Wspierany przez konsorcjum 3MF jako nowy standardowy format plików do drukowania 3D. |
| VRML | wierzchołki i krawędzie , tekstury mapowane UV | Tak | Zaprojektowany specjalnie dla sieci World Wide Web. Poprzednik X3D . |
| X3D | wierzchołki i krawędzie , tekstury mapowane UV | Tak | Zawiera możliwości dołączania animacji. |
| ZAGIĘCIE | wierzchołki , ściany i inne | NIE | Następca STL z obsługą kolorów. |