Technologie druku 3D – od prototypowania do produkcji zaawansowanych komponentów

Technologie druku 3D – od prototypowania do produkcji Designed by Freepik

Z technologii druku 3D coraz częściej korzystają firmy produkcyjne z różnych branż, powoli dowiadują się o niej osoby, które z wytwarzaniem addytywnym nie mają nic wspólnego. I choć ogólne zasady produkcji przy użyciu tej technologii są mniej więcej znane, to zapewne mało kto ma świadomość, że druk 3D obejmuje wiele metod produkcyjnych, często dość mocno się różniących.

Stereolitografia (SLA)

Stereolitografia to jedna z najstarszych i najbardziej precyzyjnych metod w świecie druku 3D. Opracowana w 1984 r. przez Charlesa Hulla, technologia ta od lat znajduje zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w medycynie czy inżynierii. Jej kluczową cechą jest wykorzystanie płynnych żywic fotopolimerowych, które pod wpływem światła lasera ultrafioletowego ulegają selektywnemu utwardzaniu, tworząc kolejne warstwy modelu.

Proces druku SLA polega na zanurzaniu platformy roboczej w wanience z żywicą. Laser precyzyjnie „rysuje” kształt danej warstwy na powierzchni cieczy, utwardzając ją punkt po punkcie. Po zakończeniu każdej warstwy stół roboczy przesuwa się o zadaną wysokość, a cały cykl powtarza się aż do uzyskania gotowego modelu. 

W nowoczesnych urządzeniach często stosuje się tzw. odwróconą metodę SLA. Model powstaje w niej „do góry nogami”, co pozwala ograniczyć zużycie materiału i zmniejszyć rozmiar drukarki.

Po zakończeniu procesu drukowania gotowy model płucze się w alkoholu izopropylowym w celu usunięcia resztek nieutwardzonej żywicy. Następnie dodatkowo jest naświetlany, by uzyskać finalne właściwości mechaniczne i estetyczne.

Jedną z największych zalet tej technologii jest wyjątkowa dokładność – SLA pozwala na odwzorowanie nawet najdrobniejszych detali, osiągając tolerancje rzędu 0,1–0,2 mm. Modele wykonane tą metodą wyróżniają się gładką powierzchnią i wysoką jakością wykończenia. Ma to nie tylko estetyczne znaczenie, ale również praktyczne, np. podczas testowania dopasowania elementów w prototypach.

Stereolitografia umożliwia wykorzystania szerokiej gamy żywic o różnych właściwościach – od sztywnych i wytrzymałych, przez elastyczne, aż po materiały odporne na wysokie temperatury czy imitujące silikon. Dzięki temu technologia ta znajduje zastosowanie w wielu branżach. Zarówno w produkcji modeli anatomicznych i mikroprzepływów w medycynie, prototypowaniu w inżynierii, jak i tworzenia precyzyjnych elementów w przemyśle i wzornictwie.

Selektywne spiekanie laserowe (SLS)

Selektywne spiekanie laserowe, czyli SLS (selective laser sintering), to zaawansowana technologia druku 3D, w której jako materiał budulcowy wykorzystuje się sproszkowane tworzywa sztuczne – najczęściej poliamidy. W tym procesie na powierzchnię stołu roboczego nanoszona jest cienka warstwa proszku, a następnie precyzyjna wiązka lasera o wysokiej energii selektywnie stapia ze sobą cząsteczki materiału, tworząc kolejne warstwy modelu. 

Po zakończeniu druku gotowe elementy są wydobywane z bloku niespieczonego proszku. Pełni on także funkcję naturalnego podparcia dla powstających struktur.

Jedną z największych zalet technologii SLS jest możliwość produkowania wytrzymałych i funkcjonalnych części bez konieczności stosowania dodatkowych podpór. Nadmiar proszku, który otacza model, stabilizuje go podczas procesu, co pozwala na drukowanie nawet bardzo złożonych geometrii oraz elementów z ruchomymi mechanizmami (takimi jak zatrzaski czy zawiasy). 

Dzięki temu SLS świetnie sprawdza się zarówno przy prototypowaniu, jak i w produkcji krótkoseryjnej czy nawet seryjnej, gdzie wymagana jest powtarzalność i precyzja wymiarowa – tolerancje sięgają tu nawet 0,15 mm.

Części wytwarzane metodą SLS charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną, co pozwala na ich wykorzystanie w testach funkcjonalnych, a nawet w zastosowaniach końcowych. W porównaniu z modelami, które powstały w wyniku użycia technologii SLA, powierzchnie modeli SLS są nieco bardziej chropowate. Rekompensuje jednak to ich trwałość i możliwość uzyskania bardzo skomplikowanych kształtów.

Technologia SLS umożliwia efektywne wykorzystanie przestrzeni roboczej drukarki – elementy można układać warstwowo, jeden nad drugim, co znacznie zwiększa wydajność produkcji. W typowych komorach roboczych w drukarkach SLS możliwe jest drukowanie dużych modeli lub wielu mniejszych części jednocześnie.

Warto podkreślić, że obsługa urządzeń SLS wymaga odpowiedniego przygotowania. Dotyczy to zarówno warunków lokalowych, jak i wiedzy technicznej oraz środków ochrony osobistej. Mimo to selektywne spiekanie laserowe pozostaje jedną z najbardziej perspektywicznych metod druku 3D. Oferuje unikalne połączenie szybkości, precyzji i możliwości produkcyjnych, które trudno osiągnąć innymi technikami addytywnymi.

PolyJet

PolyJet to innowacyjna technika druku 3D, która wyróżnia się zdolnością do tworzenia detali o bardzo wysokiej dokładności. Ponadto umożliwia łączenie różnych materiałów i kolorów w jednym modelu. 

W przeciwieństwie do tradycyjnych metod, w których stosuje się sztywne tworzywa, technologia PolyJet pozwala na produkcję elementów o zróżnicowanych właściwościach mechanicznych. Dzięki temu nadaje się do prototypowania części elastycznych, gumopodobnych czy wielomateriałowych.

Proces ten przypomina druk atramentowy – specjalna głowica precyzyjnie natryskuje na platformę cienkie warstwy ciekłej żywicy fotopolimerowej, które są natychmiast utwardzane światłem UV. Dzięki temu każda warstwa ma grubość zaledwie 14–16 μm, co przekłada się na niezwykle gładkie powierzchnie i niemal niewidoczne linie warstw. 

Tak wysoka rozdzielczość sprawia, że PolyJet jest jedną z najdokładniejszych technologii druku 3D dostępnych na rynku. Dzięki niej osiąga się tolerancje mniejsze niż 0,1 mm.

Co więcej, PolyJet umożliwia mieszanie różnych żywic podczas jednego procesu drukowania. Pozwala to na uzyskanie modeli o zróżnicowanej twardości – od sztywnych po elastyczne – w ramach jednej części. 

Dodatkowo technologia ta oferuje szeroką paletę barw, która obejmuje ponad 500 tys. odcieni, a także płynne przejścia tonalne i różnorodne faktury powierzchni. Dzięki temu można tworzyć realistyczne, wielobarwne prototypy, które wiernie oddają finalny wygląd produktu.

PolyJet znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach – od szybkiego prototypowania, przez produkcję form wtryskowych i narzędzi, aż po wytwarzanie precyzyjnych obudów czy elementów elastomerowych. Technologia ta szczególnie ceniona jest tam, gdzie liczy się nie tylko dokładność wymiarowa, ale także estetyka i funkcjonalność prototypów.

Modelowanie osadzania topionego (FDM)

Technologia FDM (fused deposiotion modeling), znana również jako FFF (fused filament fabrication), to jedna z najstarszych i najbardziej rozpowszechnionych metod druku 3D na świecie. Polega na precyzyjnym nanoszeniu stopionego tworzywa termoplastycznego warstwa po warstwie, które po ochłodzeniu łączy się w jednolitą strukturę. 

Materiał dostarczany jest w formie cienkiej żyłki nawiniętej na szpulę. W trakcie procesu żyłka jest podgrzewana w głowicy drukującej do stanu półpłynnego, a następnie wyciskana i układana na platformie roboczej.

Podczas druku warstwy są nakładane w płaszczyźnie XY, a po zakończeniu druku każdej z nich głowica przesuwa się w osi Z. Dzięki temu możliwe jest tworzenie trójwymiarowych modeli o zróżnicowanych kształtach i rozmiarach. 

Proces ten jest odwrotnością do obróbki ubytkowej, jaką stosują maszyny CNC. W FDM wykorzystuje się dokładnie tyle materiału, ile potrzeba do wykonania części, co minimalizuje straty surowca.

Modelowanie osadzania topionego (FDM) wyróżnia się przede wszystkim dostępnością i ekonomicznością. Dzięki szerokiemu wyborowi termoplastów, które są powszechnie stosowane w przemyśle, technologia ta pozwala na szybkie prototypowanie i produkcję modeli o odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. 

Choć powierzchnia wydruków może być nieco szorstka, a detale mniej precyzyjne niż w bardziej zaawansowanych metodach, to możliwość łatwej regulacji stopnia wypełnienia sprawia, że można optymalizować koszty i czas produkcji. Niskie wypełnienie pozwala na szybkie wykonanie lekkich prototypów do testów dopasowania, natomiast wyższe – na produkcję funkcjonalnych elementów do zastosowań użytkowych.

Dzięki swojej prostocie, dostępności materiałów i relatywnie niskim kosztom, FDM pozostaje jedną z najchętniej wykorzystywanych metod druku 3D zarówno w zastosowaniach amatorskich, edukacyjnych, jak i przemysłowych.

Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS)

Technologia DMLS (direct metal laser sintering) to jedna z najnowocześniejszych metod druku 3D. Umożliwia wytwarzanie elementów z proszków metalicznych o wysokiej jakości i wytrzymałości. Proces ten przypomina selektywne spiekanie laserowe stosowane w tworzywach sztucznych, jednak w przypadku DMLS laser w pełni topi sproszkowany metal. 

Pozwala to uzyskać gęste, trwałe i funkcjonalne części o właściwościach porównywalnych, a często nawet przewyższających, tradycyjne wyroby metalowe, które powstają metodami odlewania czy obróbki skrawaniem.

Podczas drukowania detale powstają warstwa po warstwie. Ze względu na specyfikę procesu wymagają projektowania podpór, które łączą model ze stołem roboczym i stabilizują go podczas budowy. 

W przeciwieństwie do niektórych technik w DMLS proszkowych elementów nie można układać piętrowo. Ogranicza to możliwość drukowania wielu części jednocześnie w pionie. Po zakończeniu druku konieczne jest usunięcie podpór i poddanie wydruków procesowi odprężania cieplnego w specjalistycznych piecach. Poprawia to ich właściwości mechaniczne i redukuje naprężenia wewnętrzne.

Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) otwiera zupełnie nowe perspektywy w projektowaniu komponentów metalowych – zwłaszcza tych o skomplikowanych kształtach i wewnętrznych strukturach, które trudno lub wręcz niemożliwe jest wykonać tradycyjnymi metodami. 

Technologia ta jest szczególnie ceniona w branżach wymagających lekkich, a jednocześnie wytrzymałych części – np. w lotnictwie, motoryzacji czy medycynie. Czyli tam, gdzie często wykorzystuje się stopy tytanu, aluminium bądź stali nierdzewnej.

Dzięki możliwości integracji z zaawansowanymi narzędziami projektowymi, takimi jak analiza topologiczna, DMLS pozwala na optymalizację konstrukcji pod kątem zmniejszenia masy przy zachowaniu maksymalnej wytrzymałości. W efekcie powstają lżejsze, bardziej efektywne komponenty, które mogą zastąpić wieloczęściowe zespoły pojedynczym, kompleksowym elementem. Takie rozwiązanie znacznie upraszcza montaż i obniża koszty produkcji.

Oczywiście wyżej wymienione techniki druku 3D nie wyczerpują całego tematu. Jest jeszcze wiele innych metod wytwarzania, które należą do kategorii technologii addytywnych. Znajomość dostępnych technik pozwala projektantom i inżynierom optymalnie wykorzystać potencjał druku 3D, przyspieszając rozwój innowacyjnych produktów i otwierając nowe możliwości w wielu branżach. Warto jednak śledzić dalszy rozwój technologii druku 3D, które nieustannie przesuwają granice tego, co możliwe do osiągnięcia w produkcji addytywnej.

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 7–8/2025

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę