3D PRINTERITarčin Edisa

Rezime:

Trodimenzionalni ispis je metoda pretvaranja virtuelnog 3D modela u fizički objekt. To je kategorija brze izrade prototipa tehnologije. 3D printer dizajniran je kako bi proizvodio izlaz s tri dimenzije, uz korištenje različitih slojeva materijala. Uključuje više različitih metoda izrade modela: Stereolitografija (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Liminated Object Manufacturing (LOM), Fused Deposition Modeling (FDM), Multi Jet Modeling (MJM), Election Beam Melting (EBM), 3D Printing (3DP) i Object PolyJet Modeling (MJM). Sve ove tehnologije imaju zajednički princip rada: uzimaju geometriju modela iz CAD datoteka, model softverski predočuju nizom slojeva, šalju printeru informacije za ispis, a printer umjesto tintom ispisuje slojeve materijala, potpore i veziva-sloj po sloj, sve do finalnog modela. Materijal kojim se gradi model može biti: tekućina, vlakna, puder, prah ili čak metalni materijal koji se očvrsne hemijskim reakcijama, UV svjetlom ili nekim drugim metodama.

KLJUČNE RIJEČI: 3D printeri, CAD, prototipovi, tehnologija.

UVODPosljednjih 10 godina nastale su nove 3D print proizvodne tehnologije koje se temelje

na osnovi izrade sloj po sloj. Upotrebom tih tehnologija, vrijeme proizvodnje dijelova bilo koje složenosti znatno je ubrzano. Brza izrada prototipova i brza proizvodnja nude veliki potencijal za proizvodnju modela i jedinstvarnih dijelova za prerađivačku industriju. Pored navedene metode, postoje još metoda za dobivanje 3D print modela kao što su rezanje papira, limova, plastike, gdje se izrezani slojevi spajaju i lijepe jedan za drugim. Sve ove metode rade na istom principu: uzimaju geometrijsku sliku modela iz CAD datoteka, slažu se slojevi modela, šalje se informacija za ispis printeru, a printer ispisuje slojeve materijala sloj po sloj sve dok se ne dobije željeni model.

3D PRINTERITehnologija 3D printanja razvijena je na Massachusetts Insitute of technology i

relativno je mlada. Prvi 3D printer proizveden je 1988. god., a prvi color 3D printer prizveden je 2000. god..

3D printeri su jako funkcionalni i imaju širok spektar korištenja, ali us u jednu ruku i kompleksni. 3D printanjem se postiže brza izrada gotovih proizvoda. Ovim uređajima moguće je da na osnovu neke dvodimenzionalne digitalne reprezentacije modela ili nekog objekta, stvoriti trodimenzionalnu reprezentaciju, fizički izgled, koji je svakako opipljiv i stvaran. Te

1

dvodimenzionalne reprezentacije se obično prave u CAD (Computer Aided Design) alatima. U početku 3D printeri su bili u malim uredima i služili su za brizganje voska, fotopolimera, veziva, i td..

Značaj 3D printera je velik, ogleda se u tome da se pomoću njih izrađuju prototipovi dijelova predmeta u vrlo kratkom periodu, pomoću kojih se vrši testiranje njegove funkcionalnosti sa drugim dijelovima, testiranje njegovog oblika, da li proizvod odgovara potrošačima i da li će ispuniti očekivanja. Mnogi naučnici, stručnjaci smatraju da će u budućnosti 3D printeri imati veliku ulogu u našem kućanstvu, vršit će se printanje igračaka, kućanskih aparata, obuće i td.. Međutim, sada su oni skupi, pa se zbog toga i manje upotrebljavaju, ali nude visok nivo preciznosti izrade modela.

Značaj 3D printera ogleda se i u tome što se njihovom upotrebom smanjuju troškovi na skupim greškama dizajniranja, ostvaruje se bolja i brža komunikacija sa kupcima, izgrađuju se 3D modeli bez otpada što svakako smanjuje troškove.

Način rada 3D printera

Rad 3D printera predstavljaju mini sistemi sa numeričkim upravljanjem (NC) u tri ose (x, y, z). Sistemski softver prvo konvertira 3D CAD nacrt u poprečne presjeke, odnosno tanke slojeve debljine 0,089-0,203 mm, što se bira ovisno o tačnosti koja se želi postići.

Nakon toga se model izrađuje na taj način da se u radnom prostoru u programiranim tankim slojevima nanosi specijalni prah i učvršćuje vezivnim sredstvom koje se nanosi na prah („ispisuje“) standardnim komponentama HP-ovog pisača i punjenjem modela različitim komponentama (učvršćivačima) korisnici mogu kreirati predmete različitih svojstava ovisno o tehničkim zahtjevima koje model treba zadovoljiti (čvrstoća, elastičnost, temperaturna

izdržljivost i sl.). Softver prihvaća 3D datoteke kreirane u formatima .STL, .VRML, .PLY i .SFX.

Utvrđivanje isplativosti postupkaKako bi se savremene tehnologije probile u industriju, njihova primjena mora

pokazivati određene prednosti i uštede. Neke prednosti brze izrade prototipova i alata su: smanjenje vremena potrebnog za razvoj proizvoda, izbjegavanje grešaka koje mogu dovesti do zastoja u proizvodnji, minimiziranje vremena potrebnog za dobivanje prototipa, povećanje učinkovitosti, mogućnost ispunjenja i najoštrijih zadanih rokova, puno brža analiza funkcionalnosti, oblika i dimenzija, smanjeni zaostaci u fazi konstruiranja, smanjenje cijena prototipa u slučaju iznimno složenih oblika, smanjenje troškova izrade alata, smanjenje troškova cijelog procesa razvoja proizvoda, eliminisanje nepotrebnih i skupih faza izrade.

2

Metode izrade modela1. Stereolitografija (SLA)

SLA je jedna od najraširenijih metoda rapid prototypinga, a ujedno je bila prva komercijalno dostupna rapid prototyping tehnologija u svijetu. Uređaji koji koriste ovu tehnologiju sastoje se od četiri osnovna dijela: računara koji obrađuje podatke i kreira slojeve, kontrolnog računara koji nadzire proces, prostorije u kojoj se obavlja modeliranje, te laserske jedinice. Računar za kreiranje slojeva čita CAD model i kreira slojeve koje kontrolni računar pomoću laserske jedinice i hardvera samog printera nanosi na potporni sloj. Materijal koji se koristi za izradu prototipa jeste polimerna tekućina koja se polijeva po potpornoj konstrukciji u tankom sloju. Budući da ova tekućina ima osobinu da se pod UV zračenjem laserske jedinice stvrdne, tekućina se vrlo brzo pretvori u čvrstu tvar, gdje god laser osvijetli polimer. Nakon što je čitav sloj dovršen, praznine se nadopunjuju potpornim materijalom, čitav sloj spušta se niže po vertikalnoj osi pisača i sljedeći sloj se nanosi na prethodni (zbog adhezivnih svojstava materijala, slojevi se odmah spajaju i nakon nekog vremena formiraju gotov trodimenzinalni objekat). Prednosti stereolitografije su da ima visoku rezoluciju, moguća izrada dvobojnih prototipova, nema geometrijskih ograničenja oblika, automatizovanost procesa. Postoji i nekoliko nedostataka od kojih je da se samo fotopolimerni materijali mogu koristiti, prototip je slabijih mehaničkih svojstava, prototip je potrebno peći, fotopolimer je otrovan u tekućem stanju.

2. Selektivno lasersko sintetiranje (SLS)

SLS je proces 3D printanja na bazi tehnologije sinteriranja, a komercijaliziran je proizvodima firme 3D Systems. Laserska zraka CO2lasera usmjerava se na materijal (u obliku finog praska) koji se usljed visoke temperature kojoj je izložen sinterira. To znači da se pod visokom temperaturom između čestica praha povećava adhezija, tako da se prah grupira u

veću čvrstoću tačno određenog oblika. Fizikalne karakteristike produkata stvorenih sinteriranjem mogu se lako mijenjati promjenom gustoće, stvaranjem legura ili daljnjim pečenjum, a finalni proizvod može biti i mnogo čvršći nego onaj napravljen konvencionalnim metodama. SLS tehnologija se u 3D printerima također izvodi u slojevima (koji mogu biti tanki i do nekoliko hiljadinki

3

milimetra), a prah materijala se pomoću rotirajućeg cilindra doprema u komoru za modeliranje. Sav višak praha koji izlazi van gabarita modela ujedno služi i kao potporna konstrukcija pa nema potrebe za dodatnim potpornim materijalima i strukturama kao kod SLS i FDM tehnologija. Ovom tehnologijom je moguće napraviti ne samo prototipove, već i posve funkcionalne finalne proizvode koje krasi iznimno velika stabilnost, čvrstoća i trajnost. Većina proizvedenih modela je spremna za upotrebu nakon minimalne obrade i čišćenja, bez potrebe za dodatnim „pečenjem“. Proces koji uključuje SLS tehnologiju ima vjerovatno najveći raspon dostupnih materijala, budući da se mnoštvo metala može sinterirati. Ovo je naročito tačno za čiste metale proizvedene u izoliranim i sterilinim uvjetima, no i mnogi nemetali su pogodni za sinteriranje, poput stakla ili različitih organskih polimera. Prednosti su dijelovi boljih mehaničkih svojstava od onih izrađenih stereolitografijom, SLS dijelovi mogu se koristiti za funkcionalna ispitivanja, postupak SLS brži je od stereolitografije, moguća primjena većeg broja materijala, nije potreban potporanj jer višak praha podupire prototip, nupotrijebljeni prah može se koristiti za sljedeći prototip, bolja obradivost izrađenih dijelova u odnosu na stereolitografske dijelove. Nedostaci su lošija kvaliteta površine u odnosu na stereolitografske dijelove, pri korištenju nekih materijala potrebna je zastitna atmosfera radi pojave otrovnih plinova prilikom srašćivanja.

3. Laminarna objektna proizvodnja (LOM)

Laminarna objektna proizvodnja koristi se kod izrade komada većih dimenzija. Od korištenih materijala izdvaja se papirnata, polimerna i kompozitna folija koja je namotana na valjak. Preko sistema upravljanja pomičnih zrcala laserska zraka izrezuje konturu objekta od posebne vrste folije koja je namotana na valjak. Umjesto lasera mogu se koristiti i oštri Solido noževi za rezanje. Folija s donje strane ima disperzirano vezivno sredstvo koje osigurava čvrsto povezivanje slojeva. Na taj se način aktivira vezivno sredstvo i povezuje izrezani sloj s ostatkom modela. Nakon završetka izrade aplicira se impregnacijsko sredstvo radi zaštite od vlage. Tehnologijom laminarne objektne proizvodnje moguće je proizvesti modele mase 0,1 kg do 50 kg, dok debljina presjeka zavisi od vrste korištene folije, odnosno ona uobičajeno iznosi od 1 do 100 mm. Prednost ovog postupka su niža cijena, mogućnost proizvodnje velikih dijelova, relativno velika brzina postupka, male dimenzije urešaja koji se može instalirati u običnom uredu. Nema pojave zaostalih naprezanja u prototipu. Nedostaci su manja tačnost, anizotroponost i hidroskopnost materijala prototipa. Nužno je lakiranjee prototipa da bi se izbjeglo upijanje vlage i time promjena dimenzija. Funkcionalnost prototipova ograničena je uskim izborom materijala, traženu višu kvalitetu površine treba postići dodatnom završnom strojnom obradom, velik udio otpadnog materijala.

4. Modeliranje topljenjem depozitima (FDM)

Ova se tehnologija zasniva na izradi pomoću čvrstih materijala na principu ekstruzije kroz mlaznicu. U osnovi, plastično vlakno konstantno se dobavlja kroz mlaznicu maloga promjera. Mlaznica je zagrijana te se dobavljeni materijal topi i nanosi u slojevima. Tokom nanošenja materijala mlaznica se giba u XY ravni ravnomjerno istiskujući materijal. Nakon

4

završetka nanošenja jednog sloja, radni stol vrši pomak po z osi te započinje nanošenje narednog sloja. Prema širini nanesenog sloja u horizontalnoj ravni varira i kreće se oko 0,25 mm. FDM omogućava izradu funkcionalnih dijelova materijalima istog ili približno istog sastava u svrhu daljeg ispitivanja. Posebno se ističe upotreba ABS plastike kojom je moguće postići gotovo identičnu čvrstoću u odnosu na gotov proizvod. S obzirom na to da se dostava materijala vrši kroz mlaznicu i izravno se nanosi na prethodno očvršćeni sloj, mala je količina neiskorištenog materijala. Osnovni materijali koji se koriste u ovome procesu su razne vrste polimera ili voska. Glavne prednosti postupka FDM procesa su manja potrošnja energije, ne koristi se laserski snop, nema posebnih zahtjeva za ventilacijom i hlađenjem, jednostavan je za primjenu, potrebna relativno niska investicija u uređaj kao i nistki troškovi održavanja, ima mogućnost izrade vise prototipova istovremeno, male dimenzije uređaja. Nedostaci su funkcionalnost prottipova ograničena je izborom materijala, relativno mali broj komercijalno raspoloživih materijala, nužna je primjena potpornja pa su vidljive linije između slojeva.

5. Otapanje snopa elektrona (EBM)

To je vrsta aditiva za proizvodnju metalnih dijelova. Često je klasificiran kao brza metoda za proizvodnju. Ova tehnologija proizvodi dijelove otapanjem metalnog praha sloj po sloj sa elektronskim snopom u visokom vakuumu. Za razliku od nekih metalnih tehnika sinteriranja, dijelovi su potpuno gusti bez praznina i izuzetno jaki. Čvrsta prostručna izrada daje potpuno guste metalne dijelove direktno iz metalnog praha sa karakteristikama ciljnog materijala u prahu.

EBM stroj čita podatke iz 3D CAD modela i polaže uzastopne slojeve materijala u prahu. Ovi su slojevi rastopljeni zajedno i koriste računarski upravljan elektronski snop. Na taj način gradi dijelove. Proces se odvija pod vakuumom, što ga čini pogodnim za proizvodnju dijelova

5

u reaktivnim materijalima sa visokim afinitetom za kisik.

Rastopljeni materijal je od čiste legure u obliku praha konačnog materijala koji će biti proizveden (bez punjenja). Iz tog razloga, tehnologija snopa elektrona ne zahtijeva dodatnu toplinsku obradu kako bi se dobila puna mehanička svojstva dijelova.

6. 3D printing

Tehnologija 3D printanja predstavlja brz i dostupan način izrade fizičkih prototipova. Kao i kod drugih opisanih metoda, prednost je u izradi probnih 3D modela neposredno iz podataka iz računara, programa ili nacrta. Dostupnost brze izrade 3D modela omogućava bržu komunikaciju i ocjenjivanje različitih dizajnerskih rješenja i koncepcija te lakšu komunikaciju s partnerima i prodavačima. Rezultati su vidljivi u kraćem ciklusu dizajna i projektiranja te skraćenim vremenima unutar proizvodnog procesa. Program najprije konvertira 3D CAD nacrt u

poprečne presjeke odnosno tanke slojeve, debljine od 0,076 do 0,254 mm. Debljina sloja bira se u zavisnosti od željene tačnosti. Nakon toga se predmet, tj. model izrađuje tako da se u radnom prostoru u programiranim tankim slojevima nanosi specijalni prah i učvršćuje sredstvom za vezivanje, koje se nanosi na prah, tj. „printa“ pomoću uobičajenih komponenti. Nanošenje veziva počinje s donjim slojem i može biti monokromatsko ili u boji. 3D CAD datoteku šaljemo na printer koji je uz pomoć različitih programskih rješenja obrađuje i dijeli na tanke slojeve. Pisač zatim u ponavljanom procesu kroz svaki sloj printa model do krajnje izrade. Pisače te tehnološke skupine odlikuju iznimna tačnost i kvaliteta izrade. Brzina ispisa zavisi o traženoj kvaliteti, odnosno debljini sloja, koja se bira. Većina pisača može nanijeti nekoliko slojeva u minuti. Odabirom vrste praha i punjenjem modela različitim suportima, korisnici mogu kreirati predmete razičitih osobina. Tako se u zavisnosti od tehničkih zahtijeva koje model treba zadovoljiti, postižu njegova čvrstoća, elastičnost ili temperatura izdržljivosti.

7. Object polyet modeling (OPM)

Ova metoda ima slican princip kao i 3D printing, pri kojoj se tekući fotopolimer nanosi kroz glavu, sloj po sloj, gradeći tako traženi model. Trenutno tehnologija Polyet pruža najbržu i najtačniju izradu, omogućujući odabir materijalnih osobina izrađenih prototipova.

6

Prednost ovog postupka je u tome da se mogu jednako uspješno izrađivati prototipovi, funkcionalni dijelovi i alati vrlo složenih oblika, vrlo fleksibilan postupak izrade. Materijali uglavnom nisu otrovni. Imaju visoku preciznost izrade, dobre dimenzijske tolerancije, vrlo glatka površina izrađenih dijelova i alata, mogućnost izrade vrlo tankih slojeva. Glavni nedostatak je da ima ograničene dimenzije izratka, ograničen broj primjenljivih materijala te ograničena brzina izrade.

8. Direktno lasersko sinteriranje metala (DMLS)

Kod ove metode metalni puder se topi i kreira se struktura pune gustoće. Moguće je oblikovati i šupljine. Korisna je za izradu kanala za hlađenje u automobilima, za izradu medicinskih implatanata koji se prilagođavaju svakom korisniku. Ovom metodom se izrađuju modeli sa najkompleksnijom geometrijom. Modeli imaju visoku rezoluciju, i uvelikko su kvalitetni. Neki modeli se mogu odraditi za par sati, a neki do sada neizvodivi modeli se mogu upravo kreirati ovom metodom.

Primjena 3D printeraOsim što se primjenjuju u pravljenju modela za testiranje, prije puštanja tog modela u

prodaju, 3D printanje se primjenjuje i u izradi kalupa za lijevanje određenog sadržaja, u dizajnu, informatici, arhitekturi, edukaciji, metalurgiji, strojogradnji, aeronautici, modelarstvu, medicini, inžinjerstvu, bio-modeliranju, geo-info sistemima, molekularnoj hemiji i td.. Također omogućavaju efikasniji i lakši način obrada modela poput tokarenja, glodanja, brušenja, rezanja raznih vrsta materijala. 3D printeri omogućavaju bržu, tačniju i provjerenu izradu raznih prototipova, bržu izradu inovacija, brži napredak proizvodnje, i td..

ZAKLJUČAKPostoji veliki broj različitih 3D printera koji su danas dostupni na tržištu, a sve s malo

drugačijim prednostima, nedostacima i osobinama. To je najbrže rastući dio industrije za brzu izradu prototipova. Značaj 3D printera je u tome što se njihovom upotrebom smanjuju troškovi na skupim greškama dizajniranja, ostvaruje se bolja i brža komunikacija s kupcima, izrađuju se 3D modeli bez otpada što svakako smanjuje troškove proizvodnje. Tehnologije za brzu izradu prototipova su prisutne u širokom spektru industrije zbog brojnih prednosti koje nude. Ove savremene tehnologije su za kratko vrijeme omogućile dostizanje niza ciljeva koje moderno tržište definiše, kao što su primarni zahtjevi skraćivanja vremena do pojave proizvoda na tržištu te smanjivanje cijene proizvoda. Viši stepen vizualizacije u ranim fazama projektiranja, otkrivanje grešaka projektiranja pri izradi alata i brza izrada alata za proizvodnju fizičkih prototipova postižu se primjenom rapid prototayping tehnologije. Ovi se postupci najčešće primjenjuju kada se radi o malim serijama proizvoda i kada bi izrada alata uobičajenim postupcima bila skupa. Primjena ovih tehnologija nije više ograničena samo na izradu prototipova, kao na početku razvoja ovih tehnologija. Materijali i tehnologije se razvijaju na takav način da omogućavaju i razvoj malih serija gotovih proizvoda. Proizvodnja malih serija gotovih proizvoda predstavlja idealno rješenje za veći broj specifičnih potreba kod prizvoda namjenjenih ograničenom manjem broju korisnika, pri čemu se omogućava dostizanje visoke kvalitete i unapređeje proizvoda iako nije namijenjen velikim serijama.

7

Literatura:http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing

http://mackprototype.com/rapid-prototyping-sla.html

http://znanost.geek.hr/clanak/3d-printanje-osobnih-elektronickih-naprava-na-vidiku/

http://www.arptech.com.au/slshelp.htm

http://www.rpc.msoe.edu/machines_lom.php

http://www.cs.berkeley.edu/~sequin/CAFFE/cyberbuild.html

http://www.bonbon.hr/blog/tech-novosti/3d-printanje-cuda-radi

http://www.tiskarstvo.net/tiskarstvo2011/clanciWeb/Sabati/SabatiMetodeRada.html

http://www.custompartnet.com/wu/direct-metal-laser-sintering

http://www.mojo3dprinting.com/printers/benefits/default.aspx

http://www.pcpro.co.uk/blogs/2012/01/12/3d-printing-undeniably-cool-but-lacks-a-killer-app/

http://solidsmack.com/fabrication/odd-3d-printing-materials/

http://www.extremetech.com/extreme/129907-is-3d-printing-going-to-change-your-life-or-is-it-just-a-pie-in-the-sky-geeky-dream

http://www.pocket-lint.com/news-gallery/48069/3d-printer-art-printing-pictures/11

8