Kompendium wiedzy

Technologia SLA to najstarsza z technologii druku 3D. Jest także pierwszą szeroko wykorzystywaną do szybkiego wytwarzania prototypów.

SLA to skrót od słowa „Stereolitografia”, czyli technologii warstwowego utwardzania ciekłych żywic za pomocą światła lasera. Jej ojcem jest Amerykanin Charles Hull który w 1984 roku opatentował stworzoną przez siebie technologię. Już dwa lata później jego firma 3D Systems wypuściła na rynek pierwszą w historii drukarkę 3D pracującą w technologii SLA. Niemal natychmiast okazała się ona hitem wśród producentów samochodów, w sektorze lotniczym i wśród firm projektujących sprzęt medyczny. Nie będzie przesadą stwierdzenie, że te branże czekały aż ktoś zaoferuje im dokładnie takie możliwości szybkiego prototypowania jakie przyniosła ze sobą technologia SLA. Od tamtego czasu giganci, tacy jak General Motors czy Mercedes-Benz, wyprodukowali za jej pomocą już miliony prototypów.

Przy wykonywaniu modeli prototypowanych w SLA najczęściej wykorzystuje się żywice akrylowe, z których korzysta m.in.: branża jubilerska i dentystyczna. Są one powszechnie stosowane w technologiach multijet (urządzenia, np.: japońskiego ObiJET) bądź DLP (maszyny od niemieckiego Envisiontec). Zasadniczo, wszystkie żywice są kruche i podatne na uszkodzenia mechaniczne, jednak istnieją pewne specyficzne zastosowania przy których żywice do SLA mogą być wykorzystywane jako produkt końcowy. Ma to miejsce głównie we wspomnianej już dentystyce. Chodzi tutaj przede wszystkim o szyny zgryzowe, używane najczęściej na noc. Wykorzystywana do ich wytworzenia żywica ma specjalne atesty i certyfikacje do użytku wewnątrz jamy ustnej. Oprócz tego dostępne są żywice które nadają się do produkcji gotowych mostów i koron. One również posiadają certyfikacje, można je na stałe montować w jamie ustnej pacjenta. Co więcej, można je poddawać obróbce, a także lakierować pod kolor uzębienia pacjenta.

Występują oczywiście różnice w zastosowaniu pomiędzy epoksydami, a poliuretanami. Te pierwsze lepiej sprawdzają się w przemyśle wykorzystującym kwasy siarkowe (np.: przy produkcji baterii) ponieważ cechują się większą odpornością chemiczną i mechaniczną. Żywice poliuretanowe natomiast są częściej wybierane przez producentów serów i właścicieli mleczarni – wszędzie tam, gdzie element ma częsty kontakt z kwasem mlekowym. Wydruki poliuretanowe pod wpływem wilgoci ulegną większej degradacji niż te wykonane z epoksydu.

Żywice do SLA o zmodyfikowanych właściwościach, m.in.: wypalające się bezresztkowo żywice symulujące wosk znajdą swoje zastosowanie głównie w jubilerstwie oraz drobnym odlewnictwie. Dają one możliwość szybszego wydrukowania bardzo skomplikowanego kształtu (np. pierścionka, elementu łączącego czy montażowego) który TRUDNIEJ byłoby  wykonać inną metodą. Do takiego wydruku montowany jest tzw. kanał wlewowy, wokół którego wlewany jest specjalny gips formierski. Pod koniec procesu wytwórczego modele ze środka są wypalane bezresztkowo w piecu, dzięki czemu otrzymujemy gotową formę gipsową którą możemy zalać docelowym tworzywem (aluminium, złotem, miedzią, srebrem).

Kolejnym ciekawym przykładem możliwości jakie daje technologia SLA jest wykorzystanie żywic transparentnych. Oczywiście należy się liczyć z tym, że ze względu na odmienne struktury wewnętrzne żywicy i krzemu (używanego m.in.: do produkcji szyb), wydruki z żywic transparentnych nie będą cechowały się taką samą przejrzystością jak szkło. Aczkolwiek po poddaniu tej żywicy bardzo dokładnemu polerowaniu i naświetlaniu UV możemy uzyskać produkt zbliżony POD KĄTEM PRZEJRZYSTOŚCi do szkła. Projekty tego typu sprawdzają się w prototypowaniu wszelkich elementów szklanych lub elementów które docelowo będą wykonane z PMMA czy innego tworzywa transparentnego. Pozwala to sprawdzić design i geometrię modelu ZACHOWUJĄC jednocześnie  przezierność wydruku.

Technologia selective laser sintering (selektywne spiekanie laserowe) również nie jest nowinką technologiczną –  szeroko stosowana w prototypowaniu jest już od lat dziewięćdziesiątych. Od tego czasu producenci drukarek 3D SLS dwoją się i troją by jakość elementów powstających tą metodą była coraz lepsza. Podobnie jak w przypadku technologii SLA, za jej rozpowszechnienie odpowiada głownie branża automotive, a w szczególności firma BMW. To właśnie koncern z Bawarii dostrzegł korzyści płynące z wykorzystywania drukarek SLS i jako pierwszy w Europie zainwestował w zakup maszyny.

W technologii SLS skupiamy się głównie na najbardziej spopularyzowanych tworzywach PA11 i PA12, których właściwości można najłatwiej kontrolować. Tego typu proszki poliamidowe powinny powstać w wyniku atomizowania poliamidu, a nie jego mielenia. Gwarantuje to stałą wielkość i bliską doskonałości sferyczność cząstek tworzywa. Jest to bardzo ważne, ponieważ dzięki temu uzyskujemy lepszą powierzchnię wydruków (składa się ona z malutkich kuleczek, a nie z elementów o bliżej nieokreślonym, nieregularnym kształcie). Ze względu na to, że proszek przed spieczeniem musi zostać podgrzany, a jego okienko termiczne jest dosyć nieduże (wynosi najczęściej 3 do 4 stopni Celsjusza), materiał uzyskany w wyniku atomizacji będzie posiadał lepszą akumulację energii co przełoży się na jego stabilność.

Reasumując, im bardziej sferyczne cząsteczki proszku poliamidowego tym lepszą powierzchnię wydruków jesteśmy w stanie otrzymać ponieważ jest ona stała. Im bardziej zbliżone wielkościowo, masowo i kształtowo cząsteczki proszku tym łatwiej jest nam zapanować nad termiką panującą wewnątrz urządzenia. Warto wspomnieć o homogeniczności materiału – jeżeli detal składa się z wielu idealnie sferycznych kuleczek jego wypełnienie jest stuprocentowe.

Są już na rynku producenci urządzeń, które można dostosowywać pod druk z  PA6 który jest materiałem bardziej wymagającym pod kątem samego przetwórstwa. PA6 jest co prawda higroskopijne ale umożliwia wykonanie funkcjonalnych elementów bezpośrednio do samochodów. Jest to taki sam materiał jaki przechodzi w certyfikacji motoryzacji, spełnia normy sektora automotive i jest w niej powszechnie znany i stosowany  – nikogo, kto funkcjonuje w tej branży nie trzeba do niego przekonywać. W porównaniu z PA12 plusem PA6 jest jego niższa cena i łatwość w otrzymaniu materiału.

Fused Deposition Modeling to technologia z przełomu lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych która została szeroko rozpropagowana na świecie na początku drugiego tysiąclecia w ohype medialnego producentów takich jak MakerBot czy Prusa. Technologia FDM znana jest w amerykańskim wojsku już od czasów Wojny w Zatoce Perskiej w 1991 roku. Technologie addytywne wykorzystywane są przez US Army jako jedne z wielu nowych technologii dzięki którym usprawnia się procesy wytwórcze, naprawcze, logistykę i w efekcie zmienia i ulepsza plany strategiczne.

Technologia ta ze względu na właściwości wydruków używana jest najczęściej na bardzo wczesnym etapie – do sprawdzenia wymiarów, określenia ergonomii wydruku i zweryfikowania poprawności modelu 3D. Często jest także wykorzystywana we wstępnych, małoseryjnych partiach produkcji kiedy jeszcze inne technologie wytwarzania nie przekroczą pułapu opłacalności. Wraz ze zwiększaniem produkcji w technologii FDM maleje jej rentowność. Inaczej niż w przypadku technologii żywicznych czy SLS w technologii FDM czas produkcji 5 tych samych elementów jednocześnie nie będzie krótszy niż produkcji tych samych elementów jednego po drugim.

Nie należy jednak zapominać o zaletach technologii FDM. Najważniejszą z nich jest łatwość w dopasowaniu tworzyw które finalne trafiają w produkcji seryjnej do form wtryskowych. Dużo łatwiej o certyfikację wyrobu, nawet opartego o wydruk 3D.

Vacuum Casting (odlewanie próżniowe) posiada wiele różnorodnych zastosowań w przemyśle i jest technologią w której wytwarza się nie tylko prototypy, ale i finalne funkcjonalne elementy w niskich nakładach/ krótkich seriach. Od lat 70-tych bardzo często wykorzystywany jest w procesach technologicznych szybkiego wytwarzania narzędzi, czyli rapid toolingu.

Vacuum casting najczęściej znajduje swoją aplikację w produkcji jednostkowej i krótkoseryjnej, szczególnie w takich branżach jak przemysł lotniczy i kosmiczny, medycyna, a także w realizacjach prac B&R. Wykorzystanie żywic w odlewaniu próżniowym łączy w sobie zalety SLA (gdzie otrzymujemy wysokiej jakości modele) z szerokim spektrum materiałów dwuskładnikowych. Mamy tutaj możliwość wytworzenia kilkudziesięciu tych samych elementów o jakości wydruku SLA, z pominięciem konieczności obróbki każdego z nich. Wystarczy oczyścić i dopracować jeden wydruk z maszyny SLA, wytworzyć na jego podstawie formę i wykonać kolejne odlewy. Skracamy w ten sposób znacznie czas produkcji.

Dzięki możliwości zatopienia modeli w formie silikonowej możliwe jest ich odtwarzanie w kolejnych egzemplarzach w oparciu o żywice epoksydowe i poliuretanowe. Przede wszystkim są to żywice chemoreaktywne, a nie światłoutwardzalne. W tym przypadku nie mamy do czynienia z żadnymi warstwami. Żywice są najczęściej dwu- lub trójskładnikowe, a jednym ze składników jest tzw. „aktywator”. Po zmieszaniu go z materiałem bazowym żywica zaczyna sieciować, wiązać i nabierać ostatecznego kształtu dzięki czemu modele są homogeniczne. Elementy wykonane metodą Vacuum Casting są bardzo wytrzymałe, a żywice mogą symulować wiele materiałów końcowych znanych bardzo dobrze w przemyśle.

Oprócz tego większość żywic do Vacuum Castingu możemy barwić w masie używając specjalnych pigmentów, a także możemy je POWIERZCHNIOWO obrabiać maszynowo. Bez problemu poddamy je szlifowaniu, wierceniu, frezowaniu, lakierowaniu lakierami samochodowymi i akrylowymi. Możliwe jest również pokrycie wydruków konkretnymi emaliami czyli zastosowanie gotowego wykończenia dla klienta. Otrzymujemy produkt nadający się do użytku końcowego – MOGĄ to być obudowy, uchwyty, zaczepy, przekładnie, narzędzia czy przymiary.