Ghid Printare 3D

Ne bucuram ca parcurgeti acest ghid alaturi de noi, echipa AMRB 3D! Speram ca indiferent de nivelul si domeniul de pregatire sau de experientele dumneavoastra in lumea printarii 3D, sa gasiti acest ghid util din punct de vedere informational. Pana in momentul actual cu totii am auzit despre printare 3D si posibilitatea implementarii acesteia in diverse domenii, dar in continuare pare un procedeu desprins din filme de Science Fiction. Ghidul nostru va va ajuta sa depasiti acest baraj informational raspunzand la intrebari precum: De ce printare 3D? Cu ce? Cum? Unde? In cat timp? Ghidul incearca sa ofere perspective despre inceputurile acestei tehnologii, despre aplicativitatea ei in diverse domenii (mai ales domeniul medical), dar si despre viitorul printarii 3D. Haideti sa incepem!

Bazele Printarii 3D

Printarea 3D, recunoscuta si ca tehnica de fabricare prin aditie, reprezinta o serie de procese si tehnologii moderne ce confera posibilitatea productiei de piese si produse din diverse materiale. Astfel toate produsele obtinute in urma printarii 3D au ca si caracteristica comuna tehnica de producere: adaugarea de straturi succesive de grosime egala din diverse materiale. Acesta metoda vine in contrast cu metodele „traditionale” de fabricare ce presupuneau: metode substractive sau metode de turnare.

Printarea 3D presupune realizarea unui obiect fizic, palpabil pornind de la un model virtual 3D. Cu alte cuvinte prin adaugarea de straturi succesive, printarea 3D transpune modelul virtual in lumea fizica.

Printarea 3D se bazeaza pe doua inovatii fundamentale:

  1. Manipularea modelelor 3D virtuale si
  2. Fabricarea de obiecte prin tehnica de fabricare aditiva.

Manipularea modelelor 3D virtuale

Pocesul de printare incepe prin crearea unui model 3D virtual prin intermediul programelor de software 3D. Acest model este procesat pana la parametrii doriti. Urmeaza pregatirea pentru printare. Modelul virtual este segmentat in numeroase slice-uri de grosime egala si salvat intr-un format compatibil printarii 3D. Pregatirea ulterioara pentru printare presupune o serie de setari, specificatii ce tin de procesului de fabricatie in urma caruia se poate obtine un prototip adecvat. Specificatiile tin in mare masura de propietatiile produsului printat (durabilitate, rezistenta la deformare, elasticitate) dar si de complexitatea si neregularitatea modelului virtual ce poate necesita un suport intricat, solicitant din punct de vedere al proiectarii dar si de prelucrarea ulterioara. Dificultatiile in aceasta prima etapa sunt reprezentate de numeroasele etape necesare efectuarii modelului 3D, de analiza si conversia sa intr-un model „printabil”. In numeroase cazuri aceasta etapa necesita un timp mare de executie.

Tehnica de fabricare aditiva

In acest moment sunt disponibile tipuri diverse de imprimante 3D cu tehnici aditive diferite, ce utilizeaza o gama larga de materiale. Alegerea tehnici de printare cat si a materialului se realizeaza in funtie de necesitatiile prototipului.

       Tehnici de printare 

  • Stereolitografia (SL)

Este una dintre cele mai cunoste tehnici de printare 3D. Tehnica se bazeaza pe interactiunea dintre un dispozitiv laser si rasina fotopolimerica. Practic imprimanta cu tehnologie SL contine o cuva cu rasina fotopolimerica, o platforma de plasare in cuva si un dispozitiv laser. Dispozitivul laser se deplaseaza conform coordonatelor modelului 3D iar fascicului laser proiectat pe suprafata rasinii (axele X, Y) determina solidificarea acesteia conform modelului. Dupa ce intreg layer-ul a fost solidificat, platforma din cuva coboara (axa Z), permitand solidificarea urmatorului layer. Procesul se repeta pana la finalizarea modelului. Tehnica de stereolitografie presupune si etape post procesare precum curatare, expunere la surse de lumina puternice sau surse de caldura pentru o intarire completa a rasinii.

Prin natura sa tehnica este foarte precisa, fiind recomanda pentru structuri cu geometrie complexe, neregulata. Dezavantaje: materalul este mai scump comparativ cu alte tehnici, necesita etape post procesare, fragilitate in timp a rasinii.

  • Extrusion / FDM (Fused Deposition Modelling) / FFF (Freeform Fabrication)

Este cea mai cunoscuta (si usor de recunoscut) metoda de printare 3D. Incepand cu 2009, momentul promovarii utilizarii imprimantelor 3D entry – level la scara larga, tehnica devine una din cele mai utilizate si recunoscute metode de printare 3D. Principiul metodei este incalzirea unui material termoplastic si turnarea/depunerea acestuia printr-un extruder incalzit in layere succesive conform modelului 3D grafic. Astfel prin racire se vor realiza legaturi in layere rezultand in final un produs complact cu rezistenta crescuta. In ultima perioada industria materialelor utilizate in aceasta tehnica a cunoscut un real progres, cele mai cunoscute si utilizate materiale fiind PLA-ul si ABS-ul. Pentru printarea modelelor cu geometrie complexa, este necesara printarea unui suport special (creste timpul de fabricatie, cantitatea de material si costul per total) ce va fi inlaturat post-printare. Comparativ cu metoda stereolitografica, metoda FFF este mai putin precisa dar progresul constant tinde sa anuleze acest dezavantaj.

  • DLP ( Digital Light Processing)

Este o tehnica de printare similara stereolitografiei care se bazeaza pe fotopolimerizarea rasinilor lichide prin intermediul luminii UV. De la sursa principala de lumina, fasciculele luminoase sunt distribute catre o structura realizata din micro-oglinzi  DMD (Digital Micromirror Device), structura ce va modula luminii si o va trimite catre cuva cu rasina lichida sub forma layer-ului de printat. Sub actiunea luminii rasina se intareste si apoi se trece la urmatorul strat. Deoarece intreagul layer este proiectat in acelasi timp, viteza de producere a fiecarui layer este constanta indiferent de complexitatea geometriei acestuia.

Acuratetea modelelor printate este foarte buna, comparativa cu cea a SL. Finisarea este buna dar unori necesita procesare post productie prin indepartarea structurilor suport sau intarire in cuptoare UV tot asemanator SL.

Precizia superioara si gama mare de materiale ce pot fi utilizate recomanda aceasta tehnica pentru utilizare in domenii precum industria bijuteriilor, tehnica dentara si chiar in domeniile chirurgicale daca se folosesc materiale bio-medicale certificate in acest sens.

  •  Selective Laser Sintering/ Laser Melting (SLS)

Este o metoda „veche” ea fiind utilizata inca din 1980. Presupune utilizarea unui fascicul Laser de mare putere care sa actioneze asupra materialelor sub forma de pulbere. Practic modelul 3D grafic este prelucrat si impartit in layere. La inceputul printarii fiecarui layer, imprimanta depune un strat din materialul de printat(sub forma de  pulbere) egal cu inaltimea/ grosimea layer-ului, urmand ca laser-ul sa actioneaze asupra lui comform geometriei layer-ului. Cand constructia layer-ului s-a finalizat, platforma pe care e construit modelul coboara, se aseaza un nou strat de material pulbere si procesul se reia.

Calitatea produselor printate prin aceasta tehnica este buna. Finisarea lor este buna spre foarte buna (structura poroasa ce uneori necesita intarie prin metode in infiltrare). Viteza de printare este mai scazuta decat in cazul SL, DLP. Tehnica confera posibilitatea printarii cu materile precum plastic, pulberi metalice precum titan, otel, pulberi ceramice sau pulberi de sticla.

  •  Selective Deposition Lamination (SDL)

Este o tehnica de printare 3D ce utilizeaza ca materie prima hartia. Sunt depuse straturi succesive de hartie si un adeziv intre aceste straturi pentru a conferii rezistenta. Dupa aplicarea adezivului si a stratului de hartie, este aplica o presiune printr-o structura incalzita pentru o legatura perfecta intre straturi. Urmeaza etapa in care este prelucrat prin taiere acest model 3D. Dupa taierea conform geometriei layer-ului este aplicat un strat de adeziv si apoi inca un strat de hartie si procesul continua. In constructia modelelor 3D este necesara si structuri de sprijin ce vor fi indepartate post printare. Cantitatea de adeziv redusa aplicata componentelor de sustinere, confera posibilitatea indepartarii facile a acestora.

  •  InkJet: Binder Jetting / Material Jetting

Este o tehnica de printare ce foloseste materiale sub forma de pulbere si un liant care solidifica materiale conform geometriei fiecarui layer. Este asemanatoare tehnicii SLS dar foloseste un liant in locul fascicului laser. Dupa terminarea constructiei fiecarui layer, platforma coboara cu exact grosimea layerului, stratul de material pulbere este rearanjat si se trece la constructia layer-ului urmator. Ca si in cazul tehnicii SLS avantajul major este reprezentat de faptul ca indiferent de complexitatea modelului, nu necesita folosirea unui suport. Tehnica necesita procesare post productie pentru a indeparta surplusul de material dar si tehnici de infiltrare pentru intarirea modelelor 3D.

Materiale

In ultima perioada dezvoltarea categoriilor de materiale a inregistrat un progres remarcabil, favorizand la randu sau raspandirea tehnicii de printare 3D la un nivel tot mai mare.  In acest moment exista o gama variata de materiale ce se gasesc in diverse forme (pudra, granule, filament, rasina etc.) in functie de tehnologia de printare dar si domeniul caruia se adreseaza (ex: sectorul medical cu materiale specifice). In cele ce urmeaza vom aborda cele mai populare materiale.

  • Plastic
    • PLA (Polylactic acid: (C3H4O2)n) este unul din cele mai populare materiale utilizate de sectorul entry-level. Este bio-degradabil, acesta fiind unul din motivele popularitatii sale. Este utilizat sub forma de filament in tehnica de printare FDM dar si sub forma de rasina pentru forma de printare DLP/SL. Se poate gasi sub o gama variata de culori, inclusiv transparent (natural, fara coloranti adaugati). In comparatie cu ABS este un material mai putin rezistent dar si mai putin flexibil.
    • ABS (Acrilonitril Butadien Stiren (C8H8)x(C4H6)y· (C3H3N)z) este un alt material plastic foarte popular pe segmentul de imprimante 3D entry-level. Are propietati mecanice foarte bune, fiind mai rezistent decat PLA si mai flexibil decat acesta. Calitatile acestuia il recomanda pentru printarea structurilor mecanice (roti dintate etc.), pentru piese ce vor fi utilizate la temperaturi mai mari. NU este biodegradabil, dar se poate recicla foarte usor. Nu este recomandat sa intre in contact cu mancarea sau bauturile. Post printare se poate expune la diversi solventi pentru a realiza o suprafata cat mai neteda (fara stratile layer-elor).
  • Nylon, sau poliamida, se gaseste sub forma de pudra sau de filament. Este un material dur, flexibil dar si foarte rezistent in timp. Se gaseste intr-o gama larga de culori ce pot fi obtine inainte sau post printare. Sub forma de pudra poate fi combinat cu diverse alte materiale (aluminiu – ALUMIDE).
  • LayWood (WPC) este un material special ce se adreseaza imprimantelor entry-level de tip extrusion. Se gaseste sub forma de filament fiind un ameste de lemn/polimer composite.
  • Metale

Un numar tot mai mare de materiale din metal sau metal composite sunt folosite in sectorul de printare 3D industrial.

  • Otelul este unul din cele mai rezistente materiale utilizat in printare 3D industriala. Se gaseste sub forma de pudra. In mod natural are culoare argintie, dar se pot realiza combinatii cu alte metale (aur, bronz etc.) pentru a capata alte nuante.
  • Aurul , Argintul, Bronzul sunt materiale ce recent au ajuns sa fie printate 3D direct. Aplicatiile acestor materiale sunt intalnite mai ales in industria bijuteriilor. Si aceste materiale se gasesc sub forma de pudra.
  • Titan este unul din cele mai reziste materiale. Acesta se gaseste sub forma de pudra iar aplicatiile sale in segmentul medical sunt deja bine cunoscute si vor fi tratate si in alte articole ale site-ului.
  • Ceramica

Este un material nou pentru tehnologia de printare 3d care deja a cunoscut cateva succese. Particularitatea printarii cu materiale ceramice este reprezentata de procesele post printare la care trebuie supus modelul pruintat 3D (uscare, arderea, finisarea: mecanica, glazurarea).

  • Bio Materiale reprezinta un domeniul vast si extrem de important cu aplicatii medicale dar si de bio-inginerie. Printarea de tesuturi vii este un subiect foarte intens cercetat.Se doreste dezvoltarea de tehnologii capabile sa printeze tesuturi, organe umane pentru transplant.
  • Industria Alimentara inregistreaza cele mai multe incercari de implementare a printarii 3D. Cel mai utilizat ingredient in astfel de experimente este ciocolata dar au fost realizate experimente si cu paste, carne, pizza etc.

Aplicatii

  1. Medicina

Sectorul medical se numara printre primii adepti ai utilizarii printarii 3D dar si domeniul cu un potential enorm de dezvoltare pe baza acestei noi tehnologii. Printarea 3D in medicina ofera posibilitatea dezvoltarii de noi tehnologii medicale, tratamente individualizate, ustensile personalizate conform particularitatiilor pacientului, modele 3D pentru planning-urile pre-operator, toate acestea cu posibilitatea imbunatatirii actului medical, cresterea compliantei pacientului la tratament dar si cresterea calitatii vietii pacintului.

  1. Diverse
    1. Industria Aerospatiala a implementat inca de la inceput printarea 3D in procesele sale de dezvoltare.
    2. Industria Auto.
    3. Arta / Design / Sculptura.
    4. Fashion si Accesorii.
    5. Industria Alimentara.