Coduri de bare

3.7. IMPRIMANTE 3D

Contrar aparenţelor, imprimarea 3D nu reprezintă o tehnologie atât de nouă, însă aceasta a evoluat şi s-a dezvoltat foarte mult în ultimul deceniu, devenind accesibilă publicului larg în ultimii ani. Popularitatea acestei tehnologii se datorează atât libertăţii de creativitate pe care o permite cât şi a costurilor scăzute (nemaifiind necesare alte unelte de prelucrare)

Printarea 3D este cunoscută şi sub alte denumiri, mai mult sau mai puţin similare, precum fabricaţie aditivă AM (additive manufacturing), fabricare rapidă RM (rapid manufacturing) sau prototipare rapidă RP (rapid prototyping). În cele ce urmează va fi folosită denumirea de prototipare rapidă. Acest termen a fost introdus la sfârşitul anilor ’90, cu toate că istoria tehnologiilor de imprimare 3D începe în 1980.

1980 - dr. Kodama din Japonia depune prima cerere de brevet pentru protiparea rapidă. Întrucât acesta nu a depus caietul complet de sarcini al brevetului de invenţie în decurs de un an, rezultatele vizibile ale acestei tehnologii au început să apară în anii ’90.

1983 - Charles Hull inventează primul aparat de stereolitografie. Împreună cu maşinăria, acesta înfiinţează compania 3D Systems Corporation care operează în sectorul de printare 3D şi în prezent. Tehnologia SLA se bazează pe un proiector cu laser combinat cu o răşină fotosensibilă, lichid ce are o vâscozitate şi culoare asemănătoare cu cea mierii. Astfel, obiectele sunt construite într-o cuvă plină cu răşină, iar un laser sau o altă sursă de iluminat asemănătoare cu un proiector solidifcă fiecare strat de răşină, până când obiectul este finalizat.

1986 - Charles Hull obţine brevetul pentru aparatele de stereolitografie. Primul sistem comercial de prototipare rapidă realizat de 3D Systems Corporation, a fost lansat în anul 1987 sub denumirea de SIA-1.

1989 – Carl Deckard obţine brevetul pentru procesul RP de sinterizare laser selectivă (SLS). Acesta este un nou proces de manufactură aditivă ce presupune sinterizarea strat cu strat a unor pulberi de materiale non-metalice (plastic, ceramică, stlică etc.) cu ajutorul unui fascicul laser, fără a le topi complet ci doar contopindu-le la nivel macromolecular.

Tot în acest an Scott Crump, co-fondator al STRATASYS Inc a obţinut brevetul pentru un alt tip de tehnologie de printare 3D şi anume modelarea prin extrudare termoplastică (FDM).

1992 – STRATASYS obţine brevet pentru FDM. Imprimantele produse de companie au mare succes în clasele oamenilor de rând datorită simplităţii procesului care presupune introducerea unui material plastic precum PLA sau ABS într-un extruder (cap de printare fierbinte care topeşte plasticul şi îl transformă într-un lichid lipicios şi vâscos). Imprimanta preia apoi instrucţiunile de pe computer prin intermediul unui fişier codat şi depune plasticul topit strat cu strat, până când obiectul capătă formă.

Alături de tehnologiile deja apărute, au existat în această perioadă în curs de executare şi altele, precum „Balistic Particle Manufacturing” patentat de Michael Fying, „Solid Ground Curing” patentat de Itzchack Pomerantz şi “3 Dimensional Printing” patentat de Emanuel Sachs. Totuşi cele 3 companii care s-au bucurat de succes şi care există şi în prezent sunt 3D Systems, EOS şi Stratasys.

1999 – Primele organe proiectate. Primul organ construit într-un laborator a fost un schelet sintetic, acoperit cu celulele pacienţulor şi realizat cu ajutorul imprimantei 3D. El a fost implantat unor tineri care necesitau o mărire a vezicii urinare. Astfel, tehnologia dezvoltată de oamenii de ştiinţp de la Institul de Medicină Regenerativă Wake Forest a deschis uşa dezvoltării altor strategii de realizare a organelor proiectate, incluzând chiar printarea acestora.

2000 – MCP Technologies introduce tehnologia sintetizării laser a metalelor (SLM).

2002 – Primul rinichi printat 3D. Oamenii de ştiinţă au creat un rinichi multifuncţional, miniatural, pentru un animal. Acest rinichi era capabil să filtreze sângele şi să producă urină diluată.



2005 – Proiect “open-source” pentru imprimarea 3D. Întrucât tehnologia de prototipare rapidă era foarte costisitoare, Dr. Adrian Bowyer de la Universitatea din Bath a iniţiat un proiect open-source (RepRap) cu scopul de a construi o imprimantă 3D capabilă de a se multiplica prin autoreplicare. Cu alte cuvinte, o imprimantă care să-şi poată realiza majoritatea componentelor. Astfel, s-ar fi redus costurile distribuţiei de componente pentru imprimante.

2006 – Adaptarea rapidă a sectorului de producţie la cerinţele clienţilor. O dată cu implementarea primului echipament de tip SLS (sintezizare cu laser selectivă), producţia a căpătat o personalizare în masă, în sensul că liniile de producţie puteau reproduce orice obiect cerut de client fără a necesita schimbări. Acest lucru a dus la o creştere a cererii de fabricare a pieselor industriale şi ulterior, a protezelor. Imprimanta era capabilă să imprime în mai multe materiale, precum elastomeri şi polimeri, permiţând totodată ca o singură parte a produsului să fie realizată cu o varietate de densităţi si proprietăţi ale materialului.

2008 – Prima imprimantă “open-source”. Pe baza conceptului RepRap lansat în 2005, a apărut în cadrul proiectului Darwin prima imprimantă capabilă de auto-replicare, comercializată din 2009 sub formă de kit – BfB RapMan. Anul 2008 a reprezentat şi un progres major în domeniul realizării protezelor. Prima persoana a putut merge cu ajutorul unei proteze de picior imprimată 3D ce conţinea toate părţile funcţionale – genunchi, picior, talpă etc.



2009 – De la celule la vase de sânge. Compania Organovo se bazează pe tehnologia Dr. Gabor Forgcs şi utilizând o imprimantă 3D , proiectează primul vas de sânge.

2011 – Primul avion şi prima maşină printate 3D. Construit în doar şapte zile şi cu un buget de 5.000£, primul aparat de zbor printat 3D a decolat în acest an sub supravegherea inginerilor de la Universitatea din Southampton. Tehnologia a permis ca avionul să fie construit cu aripi eliptice, ceea ce în mod normal presupune costuri mult mai ridicate, dar care ajută la îmbunătăţirea eficienţei aerodinamice.

Tot în 2011, la conferinţa TEDxWinnipeg din Canada, Kor Ecologic a prezentat conceptul “Urbee”, un prototip elegant de maşină ecologică printată 3D. Proiectată pentru a fi cât mai eficientă din punct de vedere al consumului (2.3l/ 100 km în oraş) şi al construirii, Urbee ar fi avut o valoare estimată între 10.000$ şi 50.000$.

De asemenea, în acest an se lansează un serviciu de imprimare 3D la nivel mondial care permite utilizarea metalelor pretioase precum aur si argint, fiind astfel o opţiune nouă şi mai puţin costisitoare de realizare a bijuteriilor de către designer.

2012 – Proteză de maxilar imprimată 3D. Câţiva medici şi ingineri din Olanda folosesc o imprimantă 3D fabricată de LayerWise pentru a proiecta o proteză de maxilar inferior personalizată, ce este implatată ulterior unei femei în vârstă de 83 de ani, suferindă de o infecţie osoasă cronică.



2013 – Primele primejdii. Cody Wilson din cadrul Defense Distributed este rugat să şteargă fişierele pentru prima armă din lume printată 3D de pe pagina sa web, iar domeniul este confiscat.

2014 – De pe Pământ în spaţiu. SpaceX, o companie privată care proiectează, construieşte şi lansează nave spaţiale şi rachete pe orbita terestră de joasă altitudine, îşi anunţă intenţia de a construi componente pentru proiectele sale cu ajutorul imprimantelor 3D ce utilizează metal, incluzând tehnologia Leap Motion, bazată pe mişcarea mâinilor. NASA este, de asemenea, un susţinător major al imprimării 3D, în special în ceea ce priveşte alimentele.

2015 – Prima imprimantă 3D Arduino. Arduino lansează imprimanta 3D Materia 101, prima din portofoliul producătorului. Acesta imprimantă se bazează pe tehnologia extrudării şi este dezvoltată şi proiectată în Italia în colaborare cu Sharebot. Volumul ei de printare este 140x100x100 mm, are rezoluţia de 0,06 mm pe axele X şi Y şi de 0,0025 mm pe axa Z. Diametrul de extrudare este de 0,35 mm. Materia 101 foloseşte un filament PLA cu diametrul de 1,75 mm pe care îl încălzeşte la o temperatură cuprinsă între 200 şi 300 grade celsius. “Creierul” imprimantei este un controller Arduino Mega 2560.

1. 
   Aspecte generale
   

În general, printarea 3D presupune utilizarea anumitor tehnologii pentru a sintetiza un obiect tridimensional. Cu toate că fiecare tehnologie utilizează materiale diferite pe care le prelucrează în diverse moduri, principiul de a adăuga straturi multiple pe baza unui model furnizat de calculator este elementul comun. Un astfel de model poate fi creat utilizând un pachet CAD (computer aided design), prin intermediul unui scanner 3D sau prin folosirea unei camere digitale simple şi a unui soft de fotogrammetrie. Este de preferat ca modelul să fie realizat utilizând tehnica CAD deoarece aceasta permite verificarea schemei obiectului şi corectarea posibilelor erori înainte de printare.

Procesul de modelare manuală a unor date geometrice pentru grafica computerizată tridimensională este similar cu sculptura. Scanarea 3D, pe de altă parte, este un proces de colectare digitală de date referitoare la forma şi înfăţişarea obiectului real, având ca rezultat crearea unui model digital bazat pe acesta.



Fig 1. Model CAD

Înainte de a printa un model 3D dintr-un fişier STL, trebuie examinate diversele erori. În general, fişierele care au fost produse dintr-un model obţinut prin scanare 3D au multe astfel de erori ce necesită corectare. Spre exemplu suprafeţe care nu se conectează sau discontinuităţi în model. O dată terminată această etapă, fişierul STL trebuie să fie procesat de un produs software denumit “slicer” care converteşte modelul într-o secvenţă de straturi subţiri şi produce un fişier G-code ce conţine instrucţiunile adecvate unui tip specific de imprimanta 3D. Pentru printarea propriu-zisă se foloseşte un software client care încarcă codul şi îl foloseşte pentru a instrui imprimanta.

Un fişier STL este un format de fişier nativ al software-ului de stereolitografie CAD, creat de 3D Systems. Acest format este compatibil cu multe pachete software; este folosit pe scară largă pentru prototipare rapidă, printare 3D şi fabricare cu ajutorul calculatorului. Fişierele STL descriu doar suprafaţa geometrică a unui obiect tridimensional, fără a oferi informaţii despre culoare, textură sau alte atribute uzuale ale modelelor CAD. Formatul STL determină atât reprezentări ASCII cât şi binare. Fişierele binare sunt folosite mai des datorită faptului că sunt mai compacte.



Fig 2. Comparaţie conceptuală CAD şi STL

Un fişier STL descrie o suprafaţă nestructurată triangulată de vertex-urile (sensul se stabileşte prin regula mâinii drepte) şi vectorii perpendiculari pe suprafeţele triunghiurilor prin utilizarea unui sistem tridimensional de coordonate carteziene. Coordonatele STL trebuie să fie numere pozitive, nu există informaţii despre dimensiune iar vectorii unitate sunt arbitrari.

Exemplu de fişier STL ASCII:

solid name

facet normal n_i n_j n_k

outer loop

vertex v1_x v1_y v1_z

vertex v2_x v2_y v2_z

vertex v3_x v3_y v3_z

endloop

endfacet

endsolid name

Unde name este un şir opţional. Liniile de cod ce urmează după solid name reprezintă descrierea unui triunghi. Un fişier STL poate conţine orice număr de triunghiuri. Fiecare n sau v este reprezentat în virgula mobilă sub forma mantisă-“e”-exponent (ex: 2.648000e-002).

Exemplu de fişier STL binar:

UINT8[80] – Header

UINT32 – Number of triangles

foreach triangle

REAL32[3] – Normal vector

REAL32[3] – Vertex 1

REAL32[3] – Vertex 2

REAL32[3] – Vertex 3

UINT16 – Attribute byte count

end

Fiecare triunghi este descris de 12 numere reprezentate în virgulă mobilă pe 32 de biţi. 3 numere se folosesc pentru vectorul normal iar alte 3 numere se folosesc pentru coordonatele X,Y,Z ale fiecărui vertex.

Rezoluţia unei imprimante 3D reprezintă grosimea unui strat şi rezoluţia de pe axele X-Y în puncte per inch (dpi) sau micrometri (µm). Grosimea uzuală a unui strat este de aproximativ 100 µm (250 DPI), deşi unele dispozitive pot printa straturi foarte subţiri cu dimensiunea de 16 µm (1,600 DPI). Rezoluţia de pe axele X-Y este comparabilă cu cea a imprimantelor cu laser. Particulele (punctele 3D) au diametrul cuprins între 50 (510 DPI) şi 100 µm.

Construirea unui obiect cu metodele actuale poate dura de la câteva minute la câteva ore în funcţie de metoda folosită şi de dimensiunea si complexitatea modelului. Sistemele aditive pot reduce acest timp la câteva ore, depinzând din nou de tehnologia folosită şi de dimensiunea şi numărul modelelor produse simultan. Tehnicile tradiţionale precum modelarea prin injecţie pot fi mai ieftine dacă este vorba de fabricarea în cantităţi mari a produselor din polimeri, însă fabricaţia aditivă poate fi mari rapidă, mai flexibilă şi mai ieftină atunci când se produc cantităţi relativ mici de componente.

Cu toate că rezoluţia unor astfel de imprimante este suficientă pentru multe aplicaţii, printarea unei versiuni uşor mărită a obiectului dorit folosind rezoluţia standard şi îndepărtarea ulterioară a materialului prin intermediul unui proces de scădere de mare rezoluţie, poate conduce la obţinerea unei precizii mai bune. Unii polimeri utilizaţi ca materie primă permit ca finisajul suprafeţei să fie îmbunătăţit prin expunerea lui la anumiti vapori chimici.

Unele tehnici de fabricaţie aditivă sunt capabile de a utiliza mai multe materiale pe parcusul construirii componentelor. Astfel, ele pot printa în diverse culori şi combinaţii de culori simultan, fără a necesita neapărat vopsire ulterior. Alte tehnici necesită construirea unui suport intern ce are rolul de a susţine modelul ce urmează a fi creat. Acest suport trebuie îndepărtat mecanic sau dizolvat după ce s-a terminat procesul de printare.

2. 
   Tipuri de tehnologii
   

1. 
   Modelare prin extrudare – FDM (Fused Deposition Modelling)
   

Tehnologia de prototipare rapidă FDM, în traducere modelare prin extrudare termoplastică (depunere de material topit) este cea mai utilizată metodă de fabricare aditivată datorită simplităţii li accesibilităţii acesteia. În general este utilizată în modelare şi prototipare dar poate fi întâlnită şi în aplicaţii de producţie. Alte denumiri utilizate pentru această tehnologie sunt MEM (Melting Extrusion Modeling), extrudare termoplastica TPE (Thermoplastic Extrusion) şi FFF (Fused Filament Fabrication).

Primul pas este felierea modelului 3D dorit în secţiuni transversale numite straturi (layere), cu ajutorul unei aplicaţii software dedicate. Tehnologia de printare constă în trecerea unui filament din material plastic printr-un extrudor care îl încălzeşte până este atins punctul de topire, aplicându-l apoi uniform strat cu strat cu mare precizie, pentru a printa fizic modelul 3D conform fişierului CAD.

Extrudorul este încălzit pentru a topi filamentul plastic, deplansându-se atât pe orizontală cât şi pe verticală, sub coordonarea unui mecanism de comandă numerică, controlat direct de aplicaţia CAM a imprimantei. În deplasare, extrudorul depune un şir subţire de plastic care la răcire se întăreşte imediat şi se lipeşte de stratul precedent pentru a forma modelul 3D dorit. Pentru a preveni deformarea pieselor cauzată de răcirea bruscă a plasticului, unele modele profesionale de imprimante 3D au incluse o cameră închisă de construcţie în care temperatura este ridicată. Pentru modele cu o geometrie complexă, tehnologia FDM necesită printarea cu material suport care va trebui ulterior îndepărtat manual.



Fig 3. Schema constructivă a unei imprimante FDM



Fig 4. Schema principiului de funcţionare

În ultimii ani, au apărut zeci de producători de imprimante 3D mici de tip hobby, destul de ieftine. Se pot găsi online kituri de asamblare ieftine cu preţuri cuprinse între 500-600 euro sau chiar imprimante 3D complet asamblate care pornesc de la 1000 euro. Cu toate acestea, o imprimantă 3D profesională cu aplicabilitate în industrie poate depăşi 30.000 euro.

Acurateţea componentelor printate: medie

Finisarea supraţelor printate: medie spre slabă

Viteza de printare: scăzută

Materiale utilizate: BS (acrylonitrile butadiene styrene), PLA (polylactic acid), PVA (solubil), PC (policarbonat), polietilena HDPE, polipropilena, elastomer, polyphenylsulfone (PPSU), Polyphenylsulfone (PPSF), poliamida şi ceară de turnare

Avantaje tehnologie FDM:

• 
  Tehnologie office-friendly, silenţioasă şi sigură
  
• 
  Paletă largă de materiale
  
• 
  Preţ accesibil
  
• 
  Uşurinţă în utilizare
  

Dezavantaje tehnologie FDM:

• 
  Viteză mică de construcţie în cazul unor geometrii complexe
  
• 
  Posibilitatea existenţei unor zone printate neuniform (straturi dezlipite)
  
• 
  Impermeabilitate redusă
  
• 
  Rezoluţie şi acurateţe slabă pentru piese mici şi detalii fine (microni)
  

Dezavantaje pentru kituri şi imprimante 3D de tip hobby:

• 
  Durată mare de asamblare şi calibrare în cazul kiturilor
  
• 
  Calitatea printării este variabilă
  
• 
  Viteză foarte mică de construcţie pentru piese complexe
  
• 
  Piese limitate ca dimensiuni datorită deformărilor în printare
  

Aplicaţii FDM:

• 
  Piese şi subansambluri rezistente pentru testare funcţională
  
• 
  Design conceptual
  
• 
  Modele folosite în prezentări şi marketing
  
• 
  Piese de detaliu pentru aplicaţii alimentare sau medicale
  
• 
  Subansambluri din plastic pentru aplicaţii la temperaturi înalte
  
• 
  Producţii de serie foarte mică
  
• 
  Forme de turnare
  
• 
  Prototiparea matricelor (schele structurale) pentru aplicaţii medicale ce ţin de ingineria ţesuturilor
  
• 
  Prototiparea rapidă a pieselor de dimensiuni mici
  

2. 
   Stereolitografie – SLA (Stereolithography)
   

Stereolitografia este o tehnologie de prototipare rapidă utilizată la scară largă în mediul industrial pentru realizarea matriţelor, modelelor şi chiar a componentelor funcţionale. Cunoscută şi sub numele de foto-solidificare sau fabricare optică, stereolitografia implică utilizarea unui fascicul laser cu lumină ultravioletă pentru solidificarea unei răşini fotopolimerice lichide aflată în cuva de construcţie a imprimantei. Sub acţiunea luminii laser ultraviolete, această răşină se solidifică în straturi succesive obţinându-se un model solid 3D.

Modelul 3D dorit este feliat iniţial în secţiuni transversale pe care fasciculul laser le trasează pe suprafaţa răşinei lichide. Expunerea la lumina laser ultravioletă solodifică modelul trasat pe răşina lichidă rezultând un strat solid construit (printat 3D) care se adaugă peste stratul construit precedent. După finalizarea construcţiei, modelul 3D obţinut este cufundat într-o baie chimică separată, ce are ca scop îndepărtarea excesului de răşină. Apoi, obiectul este introdus într-un cuptor cu radiaţii ultraviolete pentru întărirea finală.

Fig 5. Schema constructivă a unei imprimante SLA

Pentru printarea unor geometrii complexe stereolitografia necesită crearea unor structuri de sprijin pentru susţinerea geometriei. Aceste structuri sunt generate automat în timpul pregătirii 3D pe calculator de către aplicaţa software a imprimantei. Ulterior finalizării construcţiei, suporturile vor trebui îndepărtate manual. Răşina rămasă în cuvă poate fi reutilizată la printările ulterioare.

Tehnologia aplicată este destul de costisitoare şi prin urmare astfel de imprimante au preţuri pornind de la 40-50.000 euro.

Acurateţea pieselor printate: foarte bună

Finisarea suprafeţelor printate: foarte bună

Viteza de printare: bună spre foarte bună

Materiale utilizate: răşini lichide foto-sensibile, materiale ceramice

Avantaje tehnologie SLA:

• 
  Prototipare piese cu geometrii complexe şi extrem de detaliate
  
• 
  Suprafeţe printate foarte fine şi precise
  
• 
  Posibilitate construirii pieselor de dimensiuni mari
  
• 
  Piesele printate pot fi utilizate ca matriţe pentru industriile de turnare prin injecţie (injection molding)
  
• 
  Rezistenţa pieselor fabricate la temperaturi înalte
  

Dezavantaje tehnologie SLA:

• 
  Rezistenţă medie la prelucrări mecanice
  
• 
  Lipsa durabilităţii în timp
  
• 
  Expunerea îndelungată la soare deteriorează piesele care devin fragile şi casante
  
• 
  Necesită operaţiuni de post-procesare cu substanţe chimice posibil periculoase
  
• 
  Costuri mari
  
• 
  Răşinile pot fi toxice, fiind astfel obligatorie ventilaţia
  

Aplicaţii SLA:

• 
  Piese şi componente extrem de detaliate
  
• 
  Modele finisate pentru prezentări de marketing
  
• 
  Aplicaţii care necesită obiecte rezistente la temperaturi înalte
  
• 
  Matriţe master de turnare
  

3. 
   Procesarea digitală a luminii – DLP (Digital-Light Processing)
   

Tehnologia de printare DLP reprezintă un proces de fabricare aditivă bazat pe utilizarea luminii UV pentru solidifcarea unor răşini polimerice lichide. Dezvoltată de Texas Instruments, tehnologia DLP are ca element principal cipul DMD (Digital Micromirror Device). Acest cip este de fapt o matrice de micro-oglinzi folosite pentru modularea spaţială rapidă a luminii.



Fig 6. Schemă funcţionare DLP

Iniţial, modelul 3D CAD este convertit de aplicaţia software a imprimantei 3D în secţiuni transversale, informaţiile fiind trimise ulterior către imprimantă şi cipul DMD. Pentru fiecare secţiune transversală a modelului CAD, lumina UV emisă de un proiector este modulată şi proiectată prin intermediul cipului pe suprafaţa răşinii polimerice aflată în cuva de construcţie. Fiecare micro-oglindă individuală a cipului DMD proiectează pixeli în secţiunea transversală a modelului 3D. Sub acţiunea luminii UV, răşina lichidă fotoreactivă se solidifică în straturi succesive. Deoarece întreaga secţiune transversală este proiectată într-o singură expunere, viteza de construcţie este constantă indiferent de complexitatea geometriei.

Obiectele 3D cu geometrii mai complexe sunt printate cu ajutorul materialelor suport care sunt ulterior îndepărtate. Răşina rămasă în cuva de construcţie poate fi reutilizată la printările ulterioare. Anumite materiale de printare pot necesita procese ulterioare de întărire în cuptoare UV.

Costurile tehnologiei DLP sunt superioare faţă de cele FDM astfel încât imprimantele cu volume mici de construcţie pornesc de la 15-20.000 euro.

Acurateţea pieselor printate: foarte bună

Finisarea suprafeţelor printate: foarte bună

Viteza de printare: bună pentru obiecte multiple şi geometrii complexe

Materiale utilizate: răşini, fotopolimeri, răşini transparente, polimeri pe bază de ceară

Avantaje tehnologie DLP:

• 
  Suprafeţe printate fine şi precise
  
• 
  Prototipuri rezistente pentru prelucrare
  
• 
  Gamă diversă de răşini inclusiv materiale bio-medicale
  
• 
  Imprimante stabile şi rezistente cu puţine părţi mobile
  
• 
  Viteză mare de printare pentru obiecte cu geometrii complexe
  
• 
  Viteză mare pentru printarea simultană a mai multor piese
  

Dezavantaje tehnologie DLP:

• 
  Materiale de construcţie mai scumpe
  
• 
  Necesită operaţii de post-procesare
  

Aplicaţii tehnologie DLP:

• 
  Bijuterii, modele dentare, modele electronice
  
• 
  Fabricare serii mici de modele în medicină: proteze auditive, restaurări dentare, implanturi medicale
  
• 
  Piese şi componente în industria auto şi aerospaţială
  

4. 
   Sinterizare laser selectivă – SLS (Selective Laser Sintering)
   

Tehnologia de prototipare rapidă SLS a fost patentată la sfârşitul anilor ’80 şi este apropiată de SLA. Pe lângă denumirea SLS se foloseşte pe scară largă şi denumirea generică LS (Laser Sintering) sau Sinterizare Laser. Tehnologia SLA implică folosirea unui fascicul laser de mare putere (ex. un laser CO2) pentru topirea unor pulberi în straturi succesive, obţinându-se astfel modelul 3D dorit.

Modelul 3D dorit este convertit iniţial în secţiuni transversale ale obiectului şi trimise apoi imprimantei. Pe baza informaţiilor primite, fasciculul mobil al laserului topeşte selectiv stratul de pulbere aflat pe platforma de construcţie din interiorul cuvei, conform fiecărei secţiuni transversale. După finalizarea secţiunii, platforma pe care sunt construite modelele 3D este coborâtă înăuntrul cuvei cât să poată fi realizată următoarea secţiune transversală. Se aplică un nou strat de pulbere care este apoi uniformizată după care procesul se repetă până la finalizarea întregului model 3D conform fişierului CAD.

Fig 7. Schemă funcţionare SLS

În timpul printării, modelul 3D este în permanenţă încadrat în pulberea de construcţie, ceea ce permite printarea unor geometrii extrem de complexe fara material suport. Pulberea rămasă în cuva de construcţie poate fi reutilizată la printările ulterioare. Obiectele 3D obţinute prin sinterizarea laser sunt poroase şi nu necesită finisare ulterioară decât dacă se doreşte întărirea acestora prin infiltrare. Tehnologia sintetizării laser necesită componente scumpe ceea ce duce la costuri ridicate ale imprimantelor de tip SLS (peste 90.000 euro).

Acurateţea pieselor printate: bună

Finisarea suprafeţelor printate: bună spre foarte bună

Viteza de printare: medie spre superioară

Materiale utilizate: pulberi (termo)plastice (nylon, poliamidă, polistiren, elastomeri, compoziţi), pulberi metalice (oţel, titan, aliaje), pulberi ceramice, pulberi din sticlă

Avantaje tehnologie SLS:

• 
  Acurateţe bună a modelului 3D
  
• 
  Paletă largă de materiale
  
• 
  Piese fabricate rezistente
  
• 
  Posibilitatea construcţiei unor geometrii extrem de complexe fără material suport
  
• 
  Flexibilitate a modelelor printate
  
• 
  Piese fabricate rezistente la temperaturi înalte
  
• 
  Nu necesită operaţiuni de post procesare dacă nu se doreşte întărirea mecanică
  

Dezavantaje tehnologie SLS:

• 
  Tehnologie scumpă care se traduce în cost mare şi dimensiuni mare ale imprimantei
  
• 
  Materiale de printare scumpe
  
• 
  Suprafaţă mediu finisată
  
• 
  Prototipuri poroase care pot necesita operaţiuni adiţionale de întărire
  
• 
  Timp de racire mare după printare pentru obiecte mari
  

Aplicaţii SLS:

• 
  Piese rezistente pentru testare funcţională şi testare la temperaturi înalte
  
• 
  Piese cu balamale şi subansambluri de încastrare
  
• 
  Producţii de serie mică
  
• 
  Modele de turnare
  

5. 
   Sinterizare directă (topire) laser a metalelor – SLM/DMLS (Selective Laser Melting)
   

Tehnologia SLM sau este o subramură a tehnologiei SLS cu un procedeu de fabricaţie aditivă similar. Tehnologia mai poartă numeşe de DMLS (Direct Metal Laser Sintering) sau LaserCusing. Spre deosebire de SLS, tehnologia SLM utilizează pulberi metalice drept material de construcţie care sunt topite şi sudate împreună cu ajutorul unui laser de mare putere. Straturile subţiri de pulbere metalică atomizată sunt succesiv topite şi solidificate la nivel microscopic în interiorul unei camere de construcţie închisă ce conţine gaz inert (argon sau azot) în cantităţi controlate strict. După terminare, piesa 3D este scoasă din camera de construcţie şi supusă unui tratament termic şi de finisare în funcţie de aplicaţie.

Fig 8. Schemă funcţionare SLM

Tehnologia SLM este folosită extensiv în domeniul industrial, echipamentele fiind extrem de scumpe, în general 100.000 euro. O tehnologie similară este EBM (Electronic Beam Melting) care utilizează un fascicul de electroni ca sursă de energie.

Acurateţea pieselor printate: bună

Finisarea suprafeţelor printate: bună spre foarte bună

Viteza de printare: medie spre superioară

Materiale utilizate: pulberi metalice din oţel inoxidabil, cobalt crom, titan, aluminiu

Avantaje SLM:

• 
  Paletă de materiale metalice speciale
  
• 
  Piese fabricate rezistente
  
• 
  Piese uşoare
  
• 
  Flexibilitatea modelelor printate
  

Dezavantaje SLM:

• 
  Tehnologie scumpă
  
• 
  Dimensiuni mari ale imprimantei
  
• 
  Materiale de printare scumpe
  
• 
  Timp de răcire mare pentru obiectele de dimensiuni mari
  

Aplicaţii SLM:

• 
  Piese complexe şi structuri cu pereţi subţiri şi goluri sau canale ascunse
  
• 
  Forme hibride în care geometrii solide/parţiale/ tip zăbrele pot fi realizate împreună pentru crearea unui singur obiect (ex: implanturi ortopedice în care integrarea osoasă este sporită de geometria suprafeţei)
  

6. 
   Fabricarea stratificată prin laminare – LOM (Laminated Object Manufacturing)
   

Tehnologia LOM este mai puţin cunoscută cu toate că primul sistem de fabricare LOM a fost dezvoltat încă din 1991 de compania Helisys Inc. Această tehnologie permite fabricarea obiectului 3D din straturi de hârtie sau plastic care sunt lipite împreună, unul peste altul şi apoi decupate cu ajutorul unui cuţit sau al unui laser. Materialul de printare folosit poate fi furnizat atât în role (plastic) cât şi în coli (hârtie).



Fig 9. Schemă funcţionare LOM

Iniţial, modelul 3D CAD este convertit în secţiuni transversale care sunt trimise apoi imprimantei. Cu ajutorul unei surse laser sau a unui cuţit, imprimanta decupează din foaia de material solit straturile care vor compune piesa 3D. Restul de material nefolosit ce rămâne în urma decupării este caroiat mărunt de cuţit sau de sursa laser astfel încât la sfârşitul procesului să poată fi îndepărtat manual. Stratul finalizat este lipit de cel anterior cu ajutorul unui adeziv aplicat pe partea inferioară a foii. Pe tot parcursul construcţiei, piesa 3D este încadrată în materialul de construcţie ceea ce permite printarea unor geometrii complicate fără material suport. La finalul procesului, piesa 3D apare împachetată în materialul în exces care va fi îndepărtat manual. Restul de material este aruncat întrucât nu poate fi utilizat la printări ulterioare.

O tehnologie nouă denumită 3D paper printing îmbină printarea inkjet cu tehnologia LOM. Secţiunile transversale din hârtie sunt întâi printate color utilizând tehnologia inkjet obişnuită şi apoi sunt decupate în straturi, rezultând un model 3D cu rezoluţie full-color.

Costul echipamentelor ce utilizează această tehnologie este de 10-25.000 euro fără TVA însă ele au marele avantaj al utilizării unor consumabile extrem de ieftine (hârtia obişnuită).

Acurateţea pieselor printate: medie spre bună

Finisarea suprafeţelor printate: medie spre bună, aspect estetic (color)

Viteza de printare: medie

Materiale utilizate: hârtie (foi obişnuite), plastic (role)

Avantaje tehnologie LOM:

• 
  Materiale de printare foarte ieftine
  
• 
  Acurateţe şi precizie destul de bune
  
• 
  Prototipuri 3D printate full color cu impact vizual maxim
  
• 
  Echipamente pretabile în mediul office (fără praf, substanţe chimie, operaţiuni periculoase de post-procesare)
  

Dezavantaje tehnologie LOM:

• 
  Gamă limitată de materiale
  
• 
  Proprietăţi slabe ale materialelor
  
• 
  Pierderi mari de material
  
• 
  Volum de printare limitat
  

Aplicaţii tehnologie LOM:

• 
  Arhitectură
  
• 
  Design conceptual
  
• 
  Vizualizare ştiintifică
  
• 
  Educaţie
  

7. 
   Printare inkjet tridimensională – 3DP/3D inkjet printing
   

Această tehnologie a fost printre primele tehnologii 3D pătrunse în România şi reprezintă încă cea mai frecventă alegere în domenii precum arhitectura şi design-ul. Până la apariţia LOM, 3DP era singura tehnologie care permitea printarea 3D color.



Fig 10. Schemă funcţionare 3DP/3D inkjet printing

Printarea tridimensională 3DP implică utilizarea tehnologiei de printare inkjet pentru solidificarea unei pulberi introdusă în cameră de fabricaţie a imprimantei, prin lipirea particulelor cu ajutorul unui material liant. Iniţial, modelul 3D CAD este convertit în secţiuni transversale care sunt apoi trimise imprimantei. Un strat subţire de pulbere este introdus în platforma de construcţie, după care este întins, distribuit şi presat uniform cu ajutorul unei role speciale. Capul de printare aplică apoi jetul de material liant urmând structura proiectată a modelul 3D, rezultând astfel un strat al obiectului 3D din pulbere solidificată cu liant. O dată ce un strat este finalizat, platforma de construcţie coboară cu exact grosimea acelui strat, după care procesul de printare este reluat.

Prin repetarea operaţiunii se vor construi straturi succesive, unul deasupra celuilalt, până la finalizarea piesei finale. Pe măsură ce procesul avansează, piesa este cufundată în pulbere, ceea ce constituie un suport natural pentru geometriile mai complexe. După finalizare, se scoate piesa finală din camera de construcţie şi se introduce într-o cuvă pentru îndepărtarea prin suflare a pulberii rămase în diversele cavităţi şi goluri. În timpul printării se pot adăuga culoare liantului.

În cazul pulberilor de amidon sau ipsos, piesele 3D printate sunt de obicei infiltrate cu material de etanşare sau cu întăritor pentru îmbunătăţirea durităţii şi calităţii suprafeţei. Pulberea rămasă în camera de construcţie poate fi reutilizată la printările ulterioare.

Preţul echipamentelor bazate pe tehnologia 3DP porneşte de la aproximativ 20.000 euro însă în cazul echipamentelor industriale poate depăşi 150.000 euro.

Acurateţe piese printate: medie spre bună

Finisarea suprafeţelor printate: medie spre bună, aspect estetic (color)

Viteză de printare: foarte bună

Materiale utilizate: pulberi (amidon, ipsos, pulberi plastice PMMA)

Avantaje tehnologie 3DP/3D inkjet printing:

• 
  Viteză mare de printare
  
• 
  Materiale nu foarte scumpe
  
• 
  Prototipuri 3D printate full color
  
• 
  Funcţionare silenţioasă
  
• 
  Echipamente pretabile în mediul office
  

Dezavantaje tehnologie 3DP/3D inkjet printing:

• 
  Prototipuri fragile
  
• 
  Rezoluţie şi suprafaţă medii ca nivel de finisare
  
• 
  Gamă limitată de materiale
  

Aplicaţii tehnologie 3DP/3D inkjet printing:

• 
  Arhitectură
  
• 
  Design conceptual
  
• 
  Vizualizare ştiinţifică
  
• 
  Educaţie
  

8. 
   PolyJet cu fotopolimeri – PolyJet Printing (PJP)
   

Tehnologia de printare 3D PJP întâlnită şi sub numele de Jetted Photopolymer sau Multijet Printing (MJP) este o altă tehnologie de fabricare aditivă, similară oarecum cu stereolitografia deaoarece utilizează tot foto-solidificarea unui fotopolimer lichid. Tehnologia Polyjet este însă similară şi cu tehnologia de printare inkjet obişnuită. Spre deosebire de imprimantele de birou care utilizează jet de cerneală, imprimantele Polyjet utilizează jet de fotopolimeri lichizi care sunt ulterior întăriţi cu ajutorul luminii UV.

Modelul 3D CAD este iniţial convertit în secţiuni transversale care sunt apoi transmise imprimantei. Capul de printare pulverizează un jet de fotopolimeri lichizi cu care proiectează o secţiune transversală extrem de subţire pe platforma de construcţie. Această secţiune este apoi întărită cu ajutorului luminii UV, după care procesul se repetă pentru următoarele straturi creând modelul 3D final. Modele complet întărite pot fi manipulate şi utilizate imediat, fără operaţii suplimentare de post-procesare.

Fig 11. Schemă de funcţionare PJP

În cazul geometriilor complexe, imprimanta utilizează un material suport de consistenţă similară cu cea a gelului pentru a construi o structură de rezistenţă. Acesta poate fi ulterior îndepărtat cu ajutorul unui jet de apă. Imprimantele pot avea două sau mai multe capete de printare, unul pentru fotopolimerul de construcţie şi celălalt pentru materialul solubil. Utilizând capete multiple, tehnologia Polyjet permite inclusiv printarea cu două materiale diferite în cadrul aceluiaşi proces de construcţie. Se pot obţine astfel prototipuri printate din diverse materiale cu diverse proprietăţi fizice.

Preţul echipamentelor ce utilizează această tehnologie porneşte de la aproximativ 18.000 euro fără TVA pentru modelele desktop, însă preţurile pentru modelele profesionale pornesc de la 100.000 euro.

Acurateţea pieselor printate: foarte bună

Finisarea suprafeţelor printate: foarte bună

Viteză de printare: medie spre bună

Materiale utilizate: fotopolimeri de diverse tipuri (rigizi, maleabili, transparenţi, opaci, elastomeri)

Avantaje tehnologie PolyJet:

• 
  Acurateţe şi precizie foarte bune
  
• 
  Suprafeţe printate fine ce nu necesită prelucrări ulterioare
  
• 
  Modele 3D cu detalii complexe
  
• 
  Prototipuri 3D printate din materiale diverse cu proprietăţi fizico-mecanie multiple
  
• 
  Gamă variată de materiale de printare
  

Dezavantaje tehnologie PolyJet:

• 
  Piesele nu rezistă bine la temperaturi ridicate
  
• 
  Cost relativ mare al materialului de construcţie
  
• 
  Nu este economic pentru piese de dimensiuni mai mari
  

Aplicaţii tehnologie PolyJet:

• 
  Design conceptual
  
• 
  Modele de prezentare şi marketing
  
• 
  Piese de detaliu pentru diverse aplicaţii
  
• 
  Forme de turnare
  
• 
  Matriţe master pentru piese turnate din uretan
  

3. 
   Utilizări inovative ale imprimantelor 3D
   

1. 
   Construcţii de clădiri din beton
   

După ce compania chinezească WinSun Decoration Design Engineering Co a construit anul trecut 10 case în doar 24 de ore cu ajutorul tehnologiei de printare 3D, aceasta a uimit din nou prin construcţia celor mai înalte clădiri printate 3D: un bloc cu 5 etaje şi o vilă de 1,100 metri pătraţi.

Cele două clădiri pot fi vizitate în parcul industrial Suzhou din regiunea Jiangsu, ele reprezentând noi frontiere pentru construcţiile cu ajutorul printării 3D, demonstrând potenţialul de creare a unor tipologii de construcţie tradiţionale. Ele au fost create utilizând o imprimantă înaltă de 10 m şi cu baza de 6.6 m care construieşte straturi de material format dintr-un amestec de fibră de sticlă, oţel, ciment, agenţi de întărire şi deşeuri din construcţii reciclate. Folosind această tehnologie, WinSun are posibilitatea de a printa porţiuni mari dintr-o clădire, care sunt apoi asamblate pentru a crea construcţia finală.

2. 
   Printarea mâncării
   

Principiul de funcţionare al acestor tipuri de imprimante este bazat tot pe fabricaţia aditivă, însă în funcţie de rezultatul dorit, materialul utilizat pentru printare diferă de la model la model. Spre exemplu, ChefJet produs de 3D Systems cristalizează straturi subţiri de zahăr fin în orice configuraţie geometrică în timp ce Choc Edge produs de Natural Foods distribuie ciocolată topită prin intermediul unor siringi în diferite modele. Foodini utilizează ingrediente proaspete ce sunt încărcate în capsule de oţel inoxidabil şi din care se poate prepara o varietate mare de mâncăruri. Totuşi, acesta nu poate finaliza un preparat, majoritatea necesitând coacere ulterioară. Cu ajutorul lui Foodini se poate realiza parţial pizza, paste umplute, quiche şi chiar negrese.

Momentan, aceste imprimante sunt utilizate preponderent pentru realizarea produselor de cofetărie, însă ele au reuşit să capteze atenţia NASA, urmând ca în viitorul nu foarte îndepărtat să fie îmbunătăţite pentru a le permite astronauţilor să îşi prepare feluri de mâncare cât mai variate.

3. 
   Modele ale bebeluşilor nenăscuţi
   

Această tehnologie este dedicată atât părinţilor cât şi medicilor, ea ajutând la planificarea operaţiilor complicate şi periculoase prin printarea unor modele 3D generate de sonograme, tomografii sau ecografii. Datorită avansării tehnologiei, în prezent durează doar câteva minute pentru a crea un astfel de model.

În timp ce aceste aplicaţii salvează vieţii şi contribuie la avansarea medicinei în moduri pe care nimeni nu le-ar fi putut prezice, ele sunt folosite şi înduioşător, permiţând mamelor nevăzătoare să “simtă” ecografia bebeluşilor lor. De asemenea, o clinică privată din Lancashire, UK a început să ofere memento-uri ale bebeluşilor nenăscuţi, bazate pe ecografiile prenatale. Baby:Boo a fost înfiinţată de Katie Kermode cu scopul de a oferi mamelor o metodă mai curprinzătoare de a se asigura ca bebeluşul lor este sănătos.

4. 
   Concluzii
   

Impactul pe care imprimantele 3D îl vor avea asupra societăţii se prevede a fi foarte mare. Dacă în prezent majoritatea produselor sunt fabricate în ţări sărace, unde costurile de producţie sunt scăzute, este foarte probabil ca în viitor acest lucru să se schimbe, produsele putând fi produse acolo unde se găsesc clienţi, graţie acestei tehnologii. Acest lucru ar putea schimba radical piaţa muncii întrucât multe dintre meserii ar putea adopta imprimantele 3D, fapt ce conduce la scăderea drastică a locurilor de muncă.

Pe de altă parte, posibilitatea personalizării produselor în funcţie de gustul fiecăruia poate conduce la dispariţia nevoii de producere în masă precum şi la construirea unei identităţi ca rezultat al propriilor creaţii, fără a utiliza diverse branduri.

Este greu de anticipat cu exactitate viitorul acestei tehnologii şi felul în care va schimba în lumea, însă un lucru e cert: pe măsură ce ea avansează, replicatorul din Star Trek va părăsi tărâmul ficţiunii şi va deveni un instrument utilizat în viaţa de zi cu zi.