Druk 3D nie osiągnął jeszcze rynkowego sukcesu, jakiego się wszyscy spodziewali, prawdopodobnie dlatego, że producenci zaczynali od obsługi klienta indywidualnego. Cyfryzacja globalnych operacji produkcyjnych i praktyk wpływa jednak na firmy i konsumentów na całym świecie, a technologie przyrostowe zaczynają odgrywać ważną rolę na rynku produkcyjnym o wartości szacowanej na 12 bilionów USD.
Sukces w biznesie coraz większej liczby firm zależy od wyboru odpowiedniej technologii druku 3D, możliwej do zastosowania w ich procesach produkcji.
Wśród technologii przyrostowych mających szerokie zastosowanie w przemyśle, najczęściej wykorzystywaną (ze względu na wszechstronność materiału PA 12, w połączeniu z jego wyjątkową izotropią i niską porowatością części z niego produkowanych) jest Selektywne Spiekanie Laserowe (SLS) oraz od niedawna HP Multi Jet Fusion (MJF). Obie należą do rodziny fuzji proszkowych, gdzie modele są budowane przez termiczne stapianie (lub spiekanie) cząstek proszku polimerowego warstwa po warstwie. Materiały stosowane zarówno w MJF, jak i SLS to polimery (zazwyczaj nylony) i elastomery termoplastyczne, które są w postaci granulatu.
Ciągłe innowacje, jeżeli chodzi o druk 3D, wpływają na większą różnorodność produkcji niż w starszych technikach obróbki. Nie dotyczy to tylko możliwości projektowania, ale samej natury tworzenia przedmiotów. Ten sam model można bowiem wydrukować w 3D na różne sposoby i odkryć, że ma zauważalnie różne cechy. Nawet jeśli technologie MJF i SLS są do siebie dość podobne, to nylonowa część wytworzona z ich wykorzystaniem nie będzie za każdym razem taka sama.
Podstawowe różnice pomiędzy technologią MJF a SLS
Kluczową różnicą między MJF a SLS jest źródło ciepła. Podobnie jak w przypadku spiekania laserowego, HP Multi Jet Fusion jest technologią opartą na proszku. Ale w przeciwieństwie do SLS nie używa lasera. Łoże proszku w maszynie jest ogrzewane równomiernie za pomocą głowicy termicznej, następnie precyzyjna głowica drukująca nanosi dwa rodzaje agentów wspomagających proces druku Pierwszy z czynników – tzw. fusing agent dozowany jest w obszarach modelowych, a jego własności powodują zwielokrotnienie absorpcji promieniowania cieplnego. Drugi z nich (detailing agent), nanoszony jest przy zewnętrznych konturach elementów, celem łatwiejszego oddzielenia niespieczonego proszku i zwiększenie dokładności odwzorowania.
SLS wykorzystuje laser do skanowania i spiekania każdej warstwy, podczas gdy w MJF to czynnik utrwalający jest dozowany na proszek, wspomagając absorpcję światła podczerwonego. Źródło energii przechodzi następnie przez platformę łoża i łączy obszary nim pokryte.
Proces produkcji i przepływ pracy
Zważywszy na różnice pomiędzy technologiami, wynikające ze sposobu utrwalania warstw podczas procesu druku 3D, można stwierdzić, że w SLS wydruk powstaje w wyniku łączenia proszku punkt po punkcie , podczas gdy w MJF utrwalanie odbywa się w sposób liniowy, co może znacząco wpłynąć na czas drukowania dla obu technologii.
W MJF już na etapie przygotowania do druku jesteśmy w stanie przewidzieć, ile będzie trwać cały proces, ponieważ czas zadrukowania pojedynczej warstwy jest stały.
Aspektem, w którym MJF jest znacznie szybsza niż SLS, to chłodzenie wydruków i przetwarzanie końcowe. HP oferuje dedykowaną stację obróbki końcowej, która przyspiesza tempo chłodzenia drukowanego koszyka i pomaga w jego usuwaniu. W MJF odzyskany proszek może być w 80-85% poddany recyklingowi i ponownie użyty, podczas gdy w SLS proszek jest przetwarzalny w 50%. Szybszy czas chłodzenia i większa zdolność do recyklingu skutkuje zatem szybszym czasem realizacji wydruków z zastosowaniem technologii MJF.
Dokładność wymiarowa
Zarówno MJF, jak i SLS to technologie przemysłowe, które oferują wysoką dokładność wymiarową. Jednak MJF ma niewielką przewagę nad SLS, co można zobaczyć w poniższej tabeli.
MJF | SLS | |
Dokładność wymiarowa | ± 0,3% (z dolną granicą ± 0,2 mm) | ± 0,3% (dolna granica ± 0,3 mm) |
Typowy rozmiar | 380 x 285 x 380 | 300 x 300 x 300 mm (do 750 x 550 x 550 mm) |
Standardowa grubość warstwy | 70 – 100 mikronów | 100 – 120 mikronów |
Minimalna grubość ściany * | 0,6 mm | 0,7 mm |
Minimalny szczegół | 0,25 mm | 0,30 mm |
*Zalecana minimalna grubość ścianki obszarów konstrukcyjnych dla obu technologii wynosi 1 mm.
Dzieje się tak głównie dlatego, że głowice drukujące w technologii MJF odkładają materiał przy 1200 DPI (lub w przybliżeniu 1 punkt co 0,022 mm), podczas gdy typowy rozmiar plamki laserowej systemu SLS wynosi około 0,3 – 0,4 mm średnicy. Również środek wykańczający (detailing agent) stosowany w MJF pomaga drukować małe elementy i ostre krawędzie. Żadna z porównywanych technologii nie wymaga struktur wsparcia, co pozwala na tworzenie modeli o dowolnych kształtach bez żadnych znaków usuwania podpór, ale nie należy zapominać o tym, że uzyskane wydruki mogą być podatne na zniekształcenia, szczególnie te drukowane w technologii MJF.
Wygląd i jakość powierzchni
Przykładowe wydruki 3D w technologii SLS
Komponenty uzyskane w druku 3D za pomocą SLS są zazwyczaj białe i mogą być barwione na dowolny kolor. Dostępny jest również szary nylonowy proszek SLS, a części drukowane w tym materiale mają bardzo podobny wygląd do części MJF, ale są gładsze w dotyku. Przedmioty drukowane w obu technologiach mają ziarniste wykończenie powierzchni, ale mogą być przetwarzane w bardzo wysokim standardzie, więc jeśli atrakcyjność estetyczna jest głównym wymaganiem, obie technologie doskonale się sprawdzą, chociaż zaobserwowano, że wydruki poliamidowe (MJF) mają mniejszą porowatość i wyższą izotropię. Poliamid (MJF) jest również najlepszą opcją dla wykończeń o bardziej szczegółowej rozdzielczości powierzchni oraz pozwala na projekty z cieńszymi ścianami.
Przykladowe wydruki 3D w technologii MJF
Właściwości materiału
Jak już to zaznaczałam na wstępie, zarówno technologia MJF jak i SLS oparta jest na budowaniu modeli przez termiczne stapianie (lub spiekanie) proszku polimerowego warstwa po warstwie. Głównym materiałem wykorzystywanym w obu procesach jest PA 12 (nylon). Podczas drukowania w tym materiale części MJF mają lepszą wytrzymałość i elastyczność oraz bardziej jednorodne właściwości mechaniczne w porównaniu z częściami SLS, które są słabsze wzdłuż kierunku drukowania.
HP PA 12 | SLS PA 12 | |
Wytrzymałość na rozciąganie | XY: 48 MPa Z: 48 MPa | XY: 48 MPa Z: 42 MPa |
Moduł sprężystości przy rozciąganiu | XY: 1700 MPa Z: 1800 MPa | XY: 1650 MPa Z: 1650 MPa |
Wydłużenie przy zerwaniu | XY: 20% Z: 15% | XY: 18% Z: 4% |
Technologia SLS oferuje więcej opcji materiałów do druku, takich jak: Nylon 12 (Standard) , Nylon wypełniony węglem, Nylon wypełniony szkłem, Nylon wypełniony minerałem, Nylon wypełniony aluminium, Nylon 11 czy Nylon trudnopalny, ale podczas gdy przedmiot wydrukowany w technologii SLS z zastosowaniem określonego materiału ma stałe parametry, ten wydrukowany w MJF może mieć różne właściwości materiału poprzez zmianę typu lub stężenia środka utrwalającego.
HP twierdzi, że można w ten sposób kontrolować mechaniczne, termiczne, optyczne, a nawet elektryczne właściwości części, ponadto otwarta platforma materiałowa pozwoli HP na szybszy rozwój materiałów do druku 3D niż pozostałym technologiom, co stanowi ogromną przewagę i krok do upowszechnienia się technologii addytywnych w procesach masowej produkcji.
Szybsze czasy realizacji dla poliamidu MJF
Głównym powodem szybszego czasu produkcji z użyciem technologii MJF jest fakt, iż wydruki wymagają mniej czasu na schładzanie niż te uzyskane dzięki SLS: tylko 10 godzin, zamiast 24 godzin SLS.
Drukowanie 3D za pomocą Multi Jet Fusion może być również szybsze niż w przypadku technologii spiekania laserowego, ponieważ wydrukowanie każdej warstwy w technologii MJF zajmuje tyle samo czasu, bez względu na rozmiar budowanego modelu. Odbywa się liniowo, natomiast w SLS – punktowo.
Zwycięzca pojedynku = MJF
Technologia SLS jest dostępna na rynku znacznie dłużej niż MJF, która od niedawna pozwala również na wydruki w pełnym spektrum kolorów RGB. Stanowi to zatem dodatkową przewagę, jaką nad swoją starszą siostrą uzyskała MJF, w kontekście czasu realizacji. Części można uzyskać zdecydowanie szybciej i taniej niż w SLS, bo są od razu drukowane w kolorze, podczas gdy te otrzymane za pomocą selektywnego spiekania wymagają barwienia. Krótszy czas realizacji oraz większa wytrzymałość elementów uzyskiwanych w druku 3d z użyciem MJF, powodują coraz większe zainteresowanie ze strony producentów. W zależności od kształtu modeli prędkość druku zazwyczaj jest większa dla technologii kalifornijskiego producenta – HP.
Można się zatem spodziewać, że wkrótce ta technologia zdominuje rynek produkcji i stanie się najczęściej wybieraną, zarówno w prototypowaniu jak i wytwarzaniu części końcowych.
Już teraz dystrybutor MJF w Polsce – HP3D.pl mówi o zwiększonym zainteresowaniu drukiem 3D w elektronice czy motoryzacji, a pytania dotyczące możliwości zastosowania oscylują wokół porównań tych dwóch proszkowych technologii przemysłowych, czyli SLS z MJF. Przedsiębiorcy, rozważający wdrożenie technologii przyrostowych w swoich organizacjach porównują parametry urządzeń od HP z tymi od EOS Gmbh, obecnie światowego lidera w przemysłowych systemach SLS do krótkoseryjnej produkcji elementów dla lotnictwa, motoryzacji i w medycynie.
Zarówno w kwestii przepływu pracy jak i czasu realizacji wydruku oraz materiałów, można zauważyć, że technologia MJF, w której drukowana część może mieć różne właściwości materiału uzyskaną poprzez zmianę typu lub stężenia środka utrwalającego, wydaje się być bardziej obiecująca od SLS, o czym przekonujemy się wraz z rozwojem tej najmłodszej technologii addytywnej.
