Drukowanie 3D (wytwarzanie przyrostowe)

Drukowanie 3D (drukowanie przestrzenne; drukowanie trójwymiarowe – 3D printing) to popularna nazwa (synonim) nowej techniki wytwarzania wyrobów: wytwarzania przyrostowego (additive manufacturing – AM), którego istotą jest produkowanie trójwymiarowych obiektów stałych (wyrobów) z pliku cyfrowego na podstawie modelu komputerowego.

Wykorzystuje się różne znane procesy i/lub łańcuchy procesów, dające określony przyrost materiału i tym samym umożliwiające wytworzenie obiektu (wyrobu) przez nakładanie i łączenie kolejnych warstw tego samego materiału i/lub różnych materiałów, warstwa po warstwie.

Drukowanie 3D, czyli wytwarzanie przyrostowe (na­zywane także niekiedy obróbką przyrostową) moż­na uważać za przeciwną metodę produkcji wyrobów w stosunku do tradycyjnej obróbki ubytkowej (obróbki skrawaniem, ściernej, erozyjnej i innej), w której obiekt (wyrób) jest kształtowany przez zdejmowanie (ubytek) kolejnych warstw materiału.

Jak to działa?

Technologie oparte na procesach przyrostowych mogą być stosowane na dowolnym etapie cyklu życia danego wyrobu, począwszy od szybkiego prototy­powania narzędzi, części maszyn i robotów przemy­słowych (High Speed Prototyping) oraz pełnych cykli szybkiej produkcji wyrobów (Rapid Manufacturing) aż do bezpośredniego sterowania cyfrowego procesami wytwarzania (Direct Digital Manufacturing).

Zastosowanie drukowania 3D wymaga wykorzy­stania projektowania wspomaganego komputerowo (Computer Aided Design – CAD) lub oprogramowania do modelowania. Prowadzi się proces dopasowania wirtualnego projektu (wzoru), tworząc cienkie, wirtu­alne, poziome przekroje, a następnie kolejne warstwy aż model wirtualny jest kompletny i prawie identyczny z docelowym modelem fizycznym (wyrobem).

Następnym etapem jest odczytanie danych z ry­sunku CAD, ułożenie kolejnych warstw materiału (cieczy, proszku lub innego materiału) i zbudowanie w ten sposób modelu z serii poziomych przekrojów. Warstwy te odpowiadające wirtualnym przekrojom z modelu CAD złączone ze sobą tworzą ostateczny kształt. Podstawową zaletą jest zdolność do tworzenia w ten sposób niemal dowolnego kształtu lub cechy geometrycznej wyrobu.

Budowa takiego modelu obecnymi technikami może trwać od kilku godzin do kilku dni w zależności od zastosowanej metody, wielkości i złożoności modelu lub kilku modeli oraz użytych urządzeń i ich możliwości przygotowywania jednocześnie kilku modeli.

Wykorzystanie drukowania 3D

Technologie wytwarzania przyrostowego, początko­wo opracowane w celu szybkiego wykonywania pro­totypów, dość szeroko wkroczyły w obszar produkcji i już mają zastosowanie w wielu dziedzinach takich jak projektowanie przemysłowe, architektura, budownic­two, inżynieria i konstrukcja maszyn, inżynieria lądo­wa, motoryzacja, lotnictwo, stomatologia, medycyna, systemy informacyjne i w wielu innych dziedzinach i branżach.

Drukowanie 3D jest przeprowadzane zwykle przy użyciu drukarki materiałów. Z każdym rokiem nastę­puje coraz większy wzrost ich sprzedaży przy ciągłym spadku ich ceny. W wielu przypadkach drukowa­nie 3D jest to szybka lub nawet bardzo szybka technika wytwarzania (produkcji) wyrobów, ale jeśli uwzględni się koszt ich wytworzenia, koszt drukarki 3D, wybór i koszt materiałów oraz inne koszty, to może okazać się, że jest to ciągle nieopłacalna technika w stosunku do obróbki ubytkowej.

Drukowanie 3D doskonale sprawdza się w szybkim wytwarzaniu części, prototypów i gotowych wyrobów oraz w produkcji wyrobów o skomplikowanej geometrii i kształtach, tam gdzie obróbka ubytkowa (np. skrawa­niem) byłaby zbyt kosztowna ze względu na koniecz­ność wykonania wielu operacji obróbkowych (toczenie, frezowanie, szlifowanie i inne).

Normalizacja a wytwarzanie przyrostowe

Międzynarodowa działalność normalizacyjna zo­stała zapoczątkowana utworzeniem pod koniec 2011 r. Komitetu Technicznego ISO/TC 261 Additive Manufacturing, z sekretariatem prowadzonym przez niemiecką jednostkę normalizacyjną DIN. Wówczas Komitet Techniczny 207 ds. Obróbki Ubytkowej i Przyrostowej oraz Charakterystyki Warstwy Wierzchniej podjął starania i otrzymał zgodę PKN na włączenie tematyki wytwarzania przyrostowego do swojego zakresu tematycznego. Strona polska zade­klarowała członkostwo czynne (P) i tak jest do chwili obecnej.

Prawie od początku istnienia ISO/TC 261 nawiązał ścisłą współpracę z ASTM F42 Additive Manufacturing Technologies. Ciągle są tworzone łączone grupy (JG), które opracowują wiele projektów norm ISO/ASTM. W niektórych opracowaniach wersji roboczych biorą udział polscy eksperci związani z PKN/KT 207.

W styczniu 2016 r. PKN/KT 207 pozytywnie za­opiniował projekt utworzenia europejskiego Komitetu Technicznego, a Rada Techniczna CEN powołała CEN/TC 438 Additive Manufacturing, którego sekreta­riat jest prowadzony do dziś przez francuską jednostkę normalizacyjną AFNOR.

Zakres działania CEN/TC 438 jest identyczny jak ISO/TC 261, oba komitety współpracują ze sobą w łą­czonych grupach roboczych. Ostatnio CEN/TC 438 podjął współpracę z ISO/TC 44/SC 14 Welding and bra­zing in aerospace oraz ISO/TC 61/SC 9 Thermoplastic materials w łączonych grupach roboczych (JWG).

Publikacje i opracowywane projekty z dziedziny drukowania 3D (wytwarzania przyrostowego) dotyczą zasad ogólnych, terminologii, kategoryzacji procesów, charakterystyk i metod badań, komputerowego opisu procesów za pomocą ustalonego standardowego zapi­su informacji i danych w postaci pliku, a także bardzo istotnej w praktyce oceny dokładności geometrycznej procesów wytwarzania przyrostowego.

Z wybranymi normami i pro­jektami z dziedziny drukowania 3D można zapoznać się w „Wiadomościach PKN 5/2018”.