Druk 3D od środka – trochę teorii

Temat druku 3D poznaliśmy już trochę od strony praktycznej, więc należałoby porozmawiać o teorii, technologiach i materiałach. Dowiemy się teraz co to jest slicer, jak właściwie działa drukarka, poznamy materiały (filamenty), różnice między nimi oraz spotkamy się z drukiem 3D z… papieru.

Na zdjęciu tytułowym widzimy „ojca” projektu RepRap, który w zasadzie zapoczątkował rewolucję druku 3D po wygaśnięciu pierwszych patentów. Jest nim dr Adrian Bowyer – matematyk z brytyjskiego Uniwersytetu w Bath, który opracował i udostępnił pierwszą drukarkę 3D dostępną na zasadach Open Source. Jego celem było w zasadzie zbudowanie urządzenia, które może się samo replikować, czyli być w stanie wyprodukować swoją kopię (stąd nazwa projektu RepRap) a drukarka 3D miała być tylko początkowym etapem jego pracy. Jednak wyszło mu to na tyle dobrze, że bardzo szybko po opublikowaniu dokumentacji, nastąpiła eksplozja drukarek tego typu na całym świecie. Na tym zdjęciu, z 28 maja 2008 roku, widzimy dr. Bowyera wraz z pierwszą zbudowaną przez niego drukarką (parent) oraz wydrukowaną przez nią kopią (child) – oczywiście nie była to pełna kopia, trzeba było dodać trochę metalowych prętów, innych niedrukowalnych elementów oraz elektronikę sterującą (opartą na znanych chipach ATmega), ale cała reszta była wydrukowana przez pierwszą drukarkę. Ta idea oraz otwierające się możliwości były tak pociągające, że nagle ludzie na całym świecie zaczęli budować drukarki i ulepszać ten projekt – notabene w ten sposób powstało wiele znanych w tej branży firm, m.in. „wielka trójka”, czyli Prusa 3D w Czechach, Ultimaker w Holandii i MakerBot w USA. Muszę przyznać, że niedługo później sam „wsiąknąłem” w projekt RepRap a pierwszą drukarką, którą zbudowałem była kolejna iteracja drukarki dr. Bowyera – RepRap Mendel (fotografia 1, którą mam do dzisiaj i to w wersji posiadającej trzy głowice!

No dobrze, ciekawostka historyczna była, więc pora przejść do konkretów. Tak, wiem, że już chce się drukować, patrzeć jak to się dzieje i cieszyć się pierwszymi własnymi wydrukami. Też tak miałem. I w końcu tak będzie, ale żeby nie być tylko biernym konsumentem nowoczesnych technologii, dobrze jest wiedzieć trochę więcej na ten temat i dzięki temu mieć szersze spojrzenie na możliwości.

Technologie druku 3D

Obecnie pod ogólną nazwą druk 3D kryje się co najmniej kilka technologii, które, choć podobne, bo w końcu wszystkie opierają się mniej więcej na tych samych podstawach, to jednak znacząco się różnią. Każda z nich ma swoje zalety i wady oraz nadaje się do różnych zastosowań, ale dla nas najważniejsze jest to, że w domu czy warsztacie możemy wykorzystać zaledwie jedną, może dwie. W dużym skrócie, do dyspozycji mamy:

SLA (Stereolitografia) – obiekt budowany jest warstwa po warstwie z płynnej żywicy, która jest utwardzana miejscowo za pomocą światła UV. Pozwala to na uzyskanie bardzo szczegółowych i dokładnych wydruków o wysokiej jakości (gładkości) powierzchni. Niestety, ponieważ praktycznie wszystkie żywice fotoutwardzalne są wysoce szkodliwe, a w dodatku po wydruku modele należy wypłukać w alkoholu izopropylowym i ostatecznie utwardzić w świetle UV, to jej wykorzystanie w warunkach domowych jest problematyczne. Praktycznie rzecz biorąc, do pracy niezbędne jest przynajmniej osobne pomieszczenie z dobrą wentylacją oraz jednorazowe rękawiczki nitrylowe, a przydałaby się także maska filtrująca. Notabene pierwsza drukarka 3D na świecie pracowała właśnie w tej technologii. Na fotografii 2 przedstawiona jest drukarka żywiczna Prusa SL1S wraz urządzeniem do płukania i naświetlania Prusa CW1S.

FDM (Fused Deposition Modelling) / FFF (Fused Filament Fabrication) – do pracy wykorzystuje nawinięte na szpule filamenty będące polimerami termoplastycznymi, które zmieniają stan skupienia ze stałego na półpłynny i z powrotem pod wpływem zmian temperatury. To właśnie w tej technologii pracują prawie wszystkie domowe drukarki 3D i głównie nią będziemy się zajmować. Mniej szczegółowa i mniej dokładna niż SLA, ale za to prostsza, czystsza i tańsza. Obecność dwóch nazw spowodowana jest kwestiami patentowymi – FDM jest nazwą wciąż zastrzeżoną przez firmę Stratasys, założoną przez wynalazcę tej metody i w zasadzie może być używana tylko w stosunku do drukarek 3D tej firmy, dlatego często możemy spotkać się z nazwą FFF lub nawet jeszcze kilkoma innymi. Ale wszystkie one określają praktycznie to samo.

SLS (Selective Laser Sintering) – wydruk powstaje z proszku polimerowego, który jest punktowo spiekany i sklejany za pomocą lasera. Daje duże i ciekawe możliwości oraz bardzo dobrej jakości wydruki, ale wykorzystywany w tym procesie bardzo drobny proszek (w zasadzie prawie pył) wymusza stosowanie masek ochronnych, filtrów itd. Proszek ma też to do siebie, że bardzo lubi włazić wszędzie… Jeśli zastosowany jest proszek metalowy to mamy odmianę tej technologii nazywaną ogólnie SLM (Selective Laser Melting). Przy czym proszek metalowy jest jeszcze bardziej niebezpieczny (m.in. może tworzyć wybuchowe mieszaniny z powietrzem) i szkodliwy. A i same lasery muszą wtedy być dużo większej mocy, niż przy SLS, gdzie wykorzystuje się też diody laserowe, które do druku z metalu już są zbyt słabe. Same wydruki nie wymagają dodawania podpór i mają bardzo dobrą jakość, ale wymagana jest ich dodatkowa obróbka – najczęściej ręczne oczyszczenie z niespieczonego proszku a potem dodatkowe piaskowanie.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w lutowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 2/2026). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 2/2026 znajduje się tutaj.

Adam Kozubowicz
adam.kozubowicz@get3d.pl

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.