Jak zbudowana jest przemysłowa drukarka 3D i jakie funkcje pełnią jej części – wały, paski zębate i ramy

Druk 3D zrewolucjonizował produkcję przemysłową i budowę prototypów. Technologia ta tworzy obiekty warstwa po warstwie z modelu cyfrowego. Składają się z następujących głównych elementów: Oprócz ramy, głowicy drukującej, stołu drukującego, jednostki sterującej, wałów, pasków zębatych i silników, typowa konstrukcja drukarki 3D wymaga również szeregu akcesoriów. Ale jak dokładnie działa przemysłowa drukarka 3D? Niniejszy artykuł podkreśla strukturę i funkcję najważniejszych komponentów oraz krótko wymienia niektóre obszary zastosowań.

Drukarka 3D tworzy trójwymiarowe obiekty poprzez nakładanie materiału warstwa po warstwie na podstawie cyfrowego modelu. Określa się to również mianem produkcji addytywnej, ponieważ materiał jest stopniowo dodawany do niedokończonego przedmiotu obrabianego.

Proces rozpoczyna się od cyfrowego pliku projektu, często dostarczanego w formacie STL (STL = stereolitografia). Jest on przesyłany do specjalnego oprogramowania, za pomocą którego model 3D jest konwertowany na plik kontrolny zrozumiały dla drukarki 3D. Plik ten jest konwertowany na tzw. kod G (kod G to język maszynowy służący do programowania maszyn CNC). Model danych jest dzielony przez oprogramowanie slicer na warstwy kodu G lub cienkie warstwy poziome. Proces ten nazywany jest slicingiem (dzieleniem na plasterki).

Drukarka odczytuje plik i kolejno drukuje warstwy, nakładając i zestalając materiał – często plastik, żywicę lub proszek metalowy – warstwa po warstwie, aż do utworzenia całego obiektu.

Dokładny proces różni się w zależności od technologii druku, na przykład od tego, czy materiał jest topiony przez ogrzewanie (FDM), czy utwardzany przez wystawienie na działanie światła (SLA). Obecnie dostępne są następujące technologie druku:

• Stereolitografia (SLA): Cienka warstwa żywicy syntetycznej jest wylewana na tackę. Następnie laser UV naświetla obszary, które mają zostać utwardzone. W tej technologii wykorzystywana jest obudowa drukarki 3D.
• Zamaskowana stereolitografia (MSLA): Proces drukowania MSLA selektywnie podświetla żywicę syntetyczną od dołu za pomocą wyświetlacza LCD. Wyświetlacz LCD tworzy maskę dla każdej warstwy druku i w ten sposób blokuje światło UV w określonych miejscach. Zamiast wiązki laserowej skanującej warstwy, drukarki MSLA wykorzystują wysokowydajne źródło światła ultrafioletowego.
• Selektywne spiekanie laserowe (SLS): Różne materiały w postaci proszku są rozprowadzane na płycie drukarskiej i topione za pomocą laserów. Na koniec, gotowy produkt musi zostać uwolniony od otaczającego go proszku.
• Modelowanie metodą osadzania topionego (FDM): Proces stapiania warstw przenosi materiał na płytę drukarską za pomocą podgrzewanej dyszy, gdzie jest on następnie zestalany.
• Produkcja obiektów podświetlanych: Materiał jest budowany warstwa po warstwie, sklejany jedna na drugiej, a następnie modelowany za pomocą narzędzia tnącego (lasera lub noża).
• Litografia komputerowa osiowa (CAL): Proces drukowania CAL polega na rzutowaniu światła na płynną, światłoczułą żywicę, która następnie szybko krzepnie. Metoda ta pozwala na wytwarzanie obiektów w najkrótszym możliwym czasie.

Konstrukcja drukarki 3D

Przemysłowe drukarki 3D mają pewne podstawowe komponenty, które są używane w zależności od wybranej technologii druku.

Ramy drukarki 3D

Rama jest podstawową strukturą montażową dla wszystkich elektronicznych i części składowych drukarki 3D, a także stanowi podstawę dla uzyskania wysokiej jakości druku. Zapewnia stabilność i strukturę drukarki. Im sztywniejsza i sztywniejsza rama, tym lepsze wyniki drukowania. W drukarkach przemysłowych ramy są często wykonane z wytrzymałych stopów metali, aby zminimalizować wibracje i zapewnić wysoką dokładność druku. MISUMI oferuje znaleźć szeroką gamę wysokiej jakości komponentów ramowych, takich jak aluminiowe profile konstrukcyjne, akcesoria do prowadnic liniowych lub płyty kątowe.

Osie w drukarkach 3D

W ustalonej trójwymiarowej przestrzeni przemysłowa drukarka 3D musi być w stanie dotrzeć do każdego punktu, aby zapewnić drukowanie wszystkich możliwych kształtów. W tym celu dostępne są następujące osie:

• Oś X: Opisuje ścieżkę poziomo od lewej do prawej
• Oś Y: Opisuje ścieżkę poziomo od przodu do tyłu
• Oś Z: Opisuje ścieżkę pionowo od góry do dołu

Głowica drukująca porusza się wzdłuż osi X i Y, na przykład za pomocą pasków zębatych i silników krokowych.

Ruch pionowy jest realizowany przez silnik krokowy. Ruch obrotowy jest przenoszony za pomocą paska zębatego na śrubę pociągową lub napęd śruby. Przesunięcie osi Z określa grubość zastosowanej warstwy materiału.

Precyzja poszczególnych elementów transferu ma decydujące znaczenie dla jakości i dokładności wymiarowej drukowanego obiektu.

Głowica drukująca (ekstruder) drukarek 3D (FDM)

Wytłaczarka przenosi filament (materiał drukowany) ze źródła surowca, np. rolki filamentu, do bloku grzewczego z grzałką i monitorowaniem temperatury. Obszar ten nazywany jest również gorącym końcem. Skroplony filament jest przenoszony przez ten kanał do dyszy i nakładany na płytę drukarską.

Istnieją różne rodzaje transportu filamentu przez ekstruder. Oto niektóre z najczęstszych typów:

• Napęd bezpośredni (ekstruder napędu bezpośredniego): W przypadku tej metody silnik bezpośrednio wciąga filament do wytłaczarki, gdzie jest on następnie transportowany do bloku grzewczego. Silnik znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie dyszy, co zapewnia bardziej precyzyjną aplikację materiału. Metoda ta jest często stosowana w stacjonarnych drukarkach 3D.
• Ekstruder Bowdena: W przeciwieństwie do napędu bezpośredniego, ekstruder Bowdena nie ma silnika bezpośrednio na wytłaczarce. Filament jest przenoszony do wytłaczarki przez elastyczną rurkę (rurkę Bowdena). Zmniejsza to wagę ekstrudera, co może mieć pozytywny wpływ na jakość druku. Jednak dokładność przenoszenia filamentu może być nieco gorsza w tej metodzie.

Oba warianty mogą być wyposażone w kilka głowic drukujących, dzięki czemu możliwe jest przetwarzanie różnych materiałów i kolorów. Jeśli drukarka 3D wykorzystuje proszek zamiast filamentu, wytłaczarki zwykle nie są używane; zamiast tego stosuje się rolki do nakładania materiału na stół roboczy.

Łoże drukujące (płyta robocza) w drukarkach 3D

Obiekt jest budowany warstwa po warstwie na łożu drukującym. Można go podgrzać, aby zapewnić lepszą przyczepność materiału, uniknąć wypaczenia materiału i uzyskać lepsze wykończenie powierzchni. Materiał łoża drukującego wpływa również na przyczepność. Szczególnie dobrze sprawdzają się tutaj płyty szklane, ceramiczne lub odlewane z aluminium. Możliwe jest również ułatwienie usuwania produktu końcowego za pomocą zdejmowanych płyt.

Jednostka sterująca w drukarkach 3D

Jednostka sterująca steruje całym procesem drukowania. Można go również użyć do kalibracji drukarki 3D. Proces kalibracji ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania błędom drukowania. Nierówne łoże drukujące lub nieprawidłowo ustawione dysze mają znaczący wpływ na jakość produktu końcowego.

Jednostka sterująca musi interpretować informacje o cyfrowym modelu 3D z pliku STL lub innego formatu pliku. W tym celu jednostka sterująca wykorzystuje oprogramowanie do cięcia, aby podzielić model 3D na sekwencję poziomych warstw (plasterków). Na tej podstawie generowane są między innymi informacje o wysokości warstwy, średnicy otworu dyszy (rozmiar dyszy), parametrach drukowania, wytłaczaniu materiału drukarskiego, temperaturach i ścieżkach narzędzia głowicy drukującej oraz wynikowy kod G.

Jednostka sterująca kontroluje napędy drukarki 3D, aby precyzyjnie przesuwać głowicę drukującą i łoże drukujące. Konwertuje ruchy zdefiniowane w kodzie G, biorąc pod uwagę prędkość, przyspieszenie i opóźnienie.

Jednostka sterująca kontroluje ekstruder, który podgrzewa materiał do drukowania, taki jak filament, i nakłada go równomiernie na płytę roboczą, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie materiału. Temperatura w drukarce 3D, ekstruderze i elementach grzewczych jest monitorowana i kontrolowana.

Oczywiście jednostka sterująca monitoruje proces drukowania pod kątem błędów i nieprawidłowości i odpowiednio reaguje na wszelkie problemy, takie jak zacięcie materiału lub przegrzanie.

Graficzny interfejs użytkownika (GUI) służy jako interfejs dla użytkownika do uruchamiania procesu drukowania, dostosowywania ustawień, sterowania drukarką oraz odbierania komunikatów o stanie i odpowiedniej interakcji. Można to zrobić za pomocą wyświetlacza lub ekranu dotykowego.

Jednostka sterująca może się komunikować z urządzeniami zewnętrznymi za pośrednictwem interfejsów w celu odbierania zadań drukowania i wymiany danych.

Wałki w drukarkach 3D

Wałki są używane jako element przenoszący i jako elementy prowadzące, aby umożliwić ruch komponentów, materiału, głowic drukujących i innych ważnych komponentów.

Gdy wałki są używane jako element transmisyjny, ruch jest przenoszony ze źródła napędu na stronę wyjściową. Odbywa się to na przykład w połączeniu z silnikiem, kołami pasowymi klinowymi i kołami pasowymi zębatymi, pasami, łańcuchami, sprzęgłami, kołami zębatymi lub innymi elementami.

Niektóre drukarki 3D wykorzystują napędy ze śrubami kulowymi zamiast konwencjonalnych prowadnic śrubowych. Napędy ze śrubami kulowymi są bardziej precyzyjne i mają mniejsze tarcie niż konwencjonalne prowadnice śrubowe. Prowadzi to do jeszcze lepszej dokładności druku.

Jako elementy prowadzące, wałki umożliwiają precyzyjny ruch głowicy drukującej lub stołu drukującego w różnych kierunkach. Są one zazwyczaj cylindryczne i wykonane z wytrzymałych materiałów, aby zapewnić dokładność i trwałość. Wałek jest zwykle gładki i ma wysoką dokładność powierzchni, aby umożliwić ruch o niskim tarciu. W celu prowadzenia wałka i umożliwienia ruchu, wzdłuż wałka montowane są specjalne łożyska liniowe lub prowadnice liniowe.

Paski zębate w drukarkach 3D

Paski zębate przekształcają ruch obrotowy silników w ruch liniowy ruchomych części drukarki. Na przykład głowice drukujące są przesuwane wzdłuż osi X i Y. Odgrywają one decydującą rolę w szybkości i precyzji procesu drukowania. Mocne dopasowanie i nieskazitelna jakość mają kluczowe znaczenie. W przeciwnym razie mogą pojawić się pogłosy, które zniekształcą produkt końcowy. Paski zębate są zwykle wykonane z materiałów elastomerowych z wstawionymi wzmocnieniami zębów w celu umożliwienia precyzyjnego przenoszenia siły.

MISUMI oferuje różne paski zębate, wały i inne akcesoria zarówno do ruchów liniowych, jak i obrotowych. Gwarantujemy znalezienie komponentu do konkretnego zastosowania.

Silniki w drukarkach 3D

Silniki odgrywają kluczową rolę w przesuwaniu i pozycjonowaniu głowicy drukującej lub łoża drukującego. Istnieją różne rodzaje silników stosowanych w drukarkach 3D, z których każdy spełnia określone zadania. Oto niektóre z najczęściej spotykanych silników w drukarkach 3D:

• Silniki krokowe: Przesuwają one głowicę drukującą i łoże drukujące w precyzyjnych krokach wzdłuż różnych osi.
• Serwomotory: Oferują dużą szybkość i dokładność i są stosowane tam, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola.
• Silniki prądu stałego: Są one stosowane na przykład do rolek roboczych.
• Silniki ekstrudera: Odpowiadają za wytłaczanie materiału drukarskiego.

Przemysłowy druk 3D wykorzystuje następujące kategorie materiałów: filament, żywice i proszek. Filament to długie, wąskie pasmo składające się z różnych tworzyw sztucznych, np. PLA lub nylonu. Jest on nawijany na zwoje i używany głównie w procesie drukowania FDM.

Aby zminimalizować widoczność poszczególnych warstw podczas korzystania z materiałów filamentowych, parametry można dostosować w ustawieniach oprogramowania do cięcia. Konieczne może być późniejsze wykończenie powierzchni, takie jak szlifowanie, szpachlowanie, powlekanie, malowanie lub różne metody spawania.

Metody druku proszkowego umożliwiają produkcję złożonych geometrii i funkcjonalnych części. Materiałem mogą być na przykład proszki metalowe, plastikowe lub ceramiczne.

Proces drukowania za pomocą żywic wykorzystuje płynne żywice, które są utwardzane pod wpływem światła UV lub wiązek laserowych w celu utworzenia warstw druku.

Dostępne są różne materiały żywiczne, które oferują różne właściwości, takie jak twardość, elastyczność, odporność na temperaturę i przezroczystość. Materiał ten bardzo dobrze nadaje się, jeśli drukowany obiekt wymaga precyzji i dokładnych szczegółów.

Możliwe zastosowania drukarek 3D

Druk 3D w bardzo krótkim czasie podbił wiele dziedzin naszego życia, w tym inżynierię mechaniczną, budowę niestandardowych maszyn i budowę prototypów. Szybki czas produkcji komponentów jest szczególnie interesujący dla wielu firm przemysłowych. Nie tylko można zmniejszyć przestrzeń magazynową w dłuższej perspektywie, ale także proaktywnie reagować na zmieniające się okoliczności i specjalne zastosowania.

Korzystanie z drukarek 3D może w szczególności przyspieszyć rozwój produktu dzięki szybkiemu prototypowaniu.

Możliwość tworzenia złożonych geometrii pozwala na szybkie dostosowanie projektów i kształtów do aktualnych koncepcji badawczo-rozwojowych.

Dzięki temu błędy i problemy projektowe mogą zostać zidentyfikowane i naprawione na wczesnym etapie przed rozpoczęciem masowej produkcji.

W niektórych przypadkach sam prototyp może służyć jako szablon do produkcji masowej, zwłaszcza w przypadku produkcji małoseryjnej lub produktów zindywidualizowanych.