Usługi druku 3D Drukuj u twórców
kompaktowego SLS
Zamów wydruk


Porównanie SLS, FDM i SLA

Wytwarzanie przyrostowe (additive manufacturing) to dość szeroki termin, opisujący wszystkie technologie, gdzie przedmioty są wytwarzane warstwa po warstwie. Najbardziej popularne technologie to FDM, SLA i SLS.

FDM – Fused Deposition Modeling

FDM (ang. fused deposition modelling), znane również jako FFF (ang. fused filament fabrication) to najbardziej powszechne skojarzenie, kiedy mowa o druku 3d. W tej technologii używa się termoplastycznych materiałów, zazwyczaj w formie żyłki (filamentu) nawiniętej na szpulę.

Głowica podgrzewa żyłkę i układa ją w odpowiedniej formie na postawie. FDM ma kilka zalet. Cały proces jest łatwy w obsłudze, w miarę szybki, a urządzenia nie zajmują zbyt wiele miejsca. Istnieją również większe, przemysłowe drukarki FDM, wspierające proces produkcji. W ich przypadku materiał termoplastyczny jest składowany częściej w formie drobnych kulek niż szpul.

Drukarki FDM są używane przez firmy i indywidualnych użytkowników do tworzenia funkcjonalnych prototypów albo szybkiego wytwarzania narzędzi. Coraz bardziej popularne stają się również tworzone tą metodą wydruki do zastosowań medycznych.

Projektowanie dla FDM

Aby stworzyć model dla drukarki 3D FDM, wystarczy dowolny program do projektowania w 3D. W tej technologii występują jednak spore ograniczenia, więc większość elementów zwisających, podcięć czy obiektów pustych w środku wymaga zaprojektowania podpór, które pozwolą na wydrukowanie takich obiektów. Na szczęście istnieje oprogramowanie, które może takie podpory zaprojektować automatycznie.

W przypadku drukarek 3D FDM z jedna głowicą podpory drukowane są z tego samego materiału, co reszta modelu – w takim przypadku muszę one zostać po drukowaniu usunięte mechanicznie. Jednak coraz bardziej popularne staja się drukarki majace dwie lub więcej głowic, które mogą podpory budować z materiału innego niż właściwa część modelu – na przykład z tworzywa rozpuszczalnego w wodzie lub kwasach.

Natomiast nie każdy materiał, z którego użytkownik chce drukować, będzie odpowiednio przyklejał się do materiału wspierającego – wymóg takiej wzajemnej kompatybilności sprawia czasem problem. Kolejnym ważnym czynnikiem jest odpowiednie ułożenie modelu względem podstawy tak, aby podpór mogło być jak najmniej.

Zalety technologii FDM

  • Nietoksyczne materiały, choć niektóre substancje, jak ABS, moga wytwarzać szkodliwe opary. Zazwyczaj cały proces jest jednak bezpieczny i nieszkodliwy dla środowiska.
  • Duży wybór użytecznych i niedrogich materiałów w różnych kolorach
  • Niski/umiarkowany koszt sprzętu
  • Niski/umiarkowany koszt obróbki po wydruku (usunięcie podpór, wykończenie powierzchni)
  • Najlepszy wybór dla średniej wielkości elementów
  • Granicząca z zerem porowatość elementów
  • Wysoka stabilność wydruku, odporność chemiczna, temperaturowa
  • Duże maksymalne wymiary wydruku w porównaniu z innymi technologiami

Wady FDM

  • Duże ograniczenia projektowe. Trudności w druku cienkich ścian, ostrych kątów i zakończeń w orientacji pionowej
  • Wydruki mają najmniejszą wytrzymałość w płaszczyźnie pionowej, ze względu na ułożenie warstw
  • Konieczność użycia podpór
  • Niska precyzja, z tolerancją od 0,1 do 0,25 mm
  • Wytrzymałość na rozciąganie odpowiada ok. 2/3 wytrzymałości identycznego obiektu utworzonego w formie wtryskowej
  • Trudno kontrolować temperaturę otoczenia, która jest istotna dla dobrej jakości wydruku
  • Problem „schodków” w płaszczyźnie pionowej

SLA – Stereolithography

Drugą w kolejności z najpopularniejszych metod jest stereolitografia (SLA) i jest oparta o fotopolimeryzację. Była to pierwsza opatentowana metoda wytwarzania addytywnego. Podczas tego procesu żywica znajdująca się w naczyniu jest wystawiane na działanie promienia lasera UV. Poruszająca się wiązka powoduje utwardzanie się materiału w pożądanych miejscach. Po uformowaniu warstwy, platforma jest podnoszona w górę o odpowiednią wysokość i proces jest powtarzany, aż do uzyskania całego modelu.

Ważne jest, aby naczynie z żywicą było zamknięte i nie pozwalało na wydostawanie się toksycznych oparów. Cała komora musi być natomiast zacieniona bądź też wykonana z materiału nieprzepuszczającego promieniowania UV, aby światło z zewnątrz nie zaburzało procesu.

sla_printout

W SLA, tak samo jak w FDM w wielu przypadkach wymagane są podpory. Jednak w przypadku SLA są one zawsze wykonane z tego samego materiału, co reszta modelu. Po wydruku, gotowy element jest odsączany, myty w rozpuszczalniku, który usuwa nadmiar żywicy, a następnie poddawany działaniu promieni UV w celu całkowitego utwardzenia elementu. Dopiero wtedy można poodcinać podpory.

Dzięki SLA można drukować z różnych fotopolimerów, takich jak epoksydy, uretan, akrylany, elastomery i winyle. Można użyć tych materiałów do produkcji niefunkcjonalnych prototypów, zatrzasków i zawiasów, modeli medycznych, zwłaszcza do zastosowań stomatologicznych, jak również wzorów odlewniczych.

Projektowanie dla SLA

Podczas projektowania dla SLA zasady, których trzeba przestrzegać są bardzo zbliżone do reguł projektowania dla FDM. Z powodu konieczności użycia struktur wspierających, ważne jest odpowiednie ułożenie modelu.

Gotowe wydruki są z reguły półprzezroczyste, a grubość warstwy waha się w granicach 0.05 o 0.15 mm

Zalety SLA

  • Doskonała jakość powierzchni
  • Wydruki mogą być malowane
  • Szybkość
  • Metoda ekonomiczna dla serii 1-20 sztuk

Wady SLA

  • Drogie materiały
  • Postprodukcja jest nie tylko konieczna – wymaga wielu czynności i jest dość brudnym procesem. Trzeba usunąć resztki żywicy – za pomocą ultradźwięków lub przez kąpiel w alkoholu izopropylowym, odciąć podpory, a następnie cały wydruk musi być utwardzony światłem UV.
  • Żywica jest toksyczna, a jej roztwór w alkoholu izopropylowym jest jeszcze bardziej niebezpieczny. Odpady po obróbce wydruków muszą być utylizowane przez wyspecjalizowane firmy
  • Odpady nie są recyklingowalne
  • Wymagane są podpory
  • Wysokość warstwy różni się w zależności od materiału
  • Fotopolimery i ich opary są toksyczne

SLS – Selektywne spiekanie laserowe

SLS to przedstawiciel metod „powder bed”

Ta metoda to jedna z najstarszych technolgii druku 3D – jest też jedną z najbardziej przewidywalnych, jeśli chodzi o rezultaty.

Zasada działania jest bardzo prosta. W zamkniętej komorze, promień lasera spieka sproszkowany materiał, warstwa po warstwie. Czasami zamiast powietrza do komory tłoczy się niereaktywny gaz, aby zapobiec utlenianiu się proszku. Komora jest wcześniej podgrzewana do temperatury niewiele mniejszej, niż temperatura topnienia materiału. Laser musi więc dostarczyć energii jedynie na stopienie się materiału.

Po spieczeniu jednej warstwy, podstawa komory obniża się o jej wysokość i nanoszona jest kolejna warstwa proszku. W technologii SLS nie ma trzeba stosować dodatkowych podpór elementów modelu. To niespieczony proszek, otaczający wydruk staje się tymczasowym podparciem dla wymagających tego części.

Precyzja druku SLS w dużej mierze zależy od działania lasera – wielkości i kształtu plamki oraz sposobu jego przemieszczania się po spiekanej powierzchni – prostopadłej do warstwy (H-BOT) lub pod kątem (Galvo). Dokładność jest też zależna od grubości warstwy. Możemy wykonać dowolną skomplikowaną strukturę, również z ruchomymi elementami – jedynym warunkiem jest możliwość usunięcia proszku z pustych przestrzeni (nie mogą one więc być całkiem zamknięte).

Po zakończeniu drukowania pozostały proszek można usunąć za pomocą odkurzacza albo szczoteczki. Najlepszą jakość powierzchni uzyskamy po późniejszym wypiaskowaniu modelu.

Porównując liczbę zastosowań w SLS, SLA i FDM, selektywne spiekanie laserowe rzeczywiście otwiera listę z największą liczbą potencjalnych zastosowań. Od funkcjonalnych, ruchomych prototypów, które mogą być testowane w tunelach aerodynamicznych lub przechodzić inne testy eksperymentalne, do komponentów końcowych drukowanych w małych lub średnich seriach.

Montaż części w zespołach, zatrzaski i zawiasy, szybkie wykonywanie narzędzi, wzory, rdzenie i formy do odlewania i formowania, modele koncepcyjne produktów, implanty medyczne i dentystyczne tworzą całą listę zastosowań. SLS jest również wykorzystywany na potrzeby edukacyjne, zarówno przez naukowców, jak i nauczycieli akademickich do nauczania studentów.

Porojektowanie pod kątem SLS

Projektanci wybierają SLS, ponieważ ta technologia daje im swobodę formy. Ponieważ konstrukcje nośne nie są potrzebne, łatwiej jest również przygotować bardziej szczegółowe projekty, o ostrych krawędziach i cienkich ścianach. Grubość warstwy od 0,06 do 0,15 mm sprawia, że technologia bardzo precyzyjna. Podobnie jak w przypadku FDM i SLA, anizotropia we właściwościach materiałowych powoduje, że część jest słabsza w kierunku pionowym budowy.

Zalety SLS

  • Brak konieczności dodawania podpór
  • Ruchome części o skomplikowanej geometrii wewnętrznej
  • Gładkie powierzchnie – często niezauważalne warstwy
  • Trwałe wydruki
  • Proszek (zazwyczaj po odświeżeniu) nadaje się do ponownego użycia po wydruku
  • Niskie do umiarkowanych koszty materiału, przy pełnym wykorzystaniu obszaru roboczego
  • Małe SLS 3D są niedrogie w porównaniu z maszynami przemysłowymi
  • W przypadku małych drukarek SLS nie jest potrzebna wykwalifikowana osoba do ich obsługi

Wady SLS

  • Wysoki koszt dużych maszyn przemysłowych
  • Przy zmianie materiału wymagane jest dokładne czyszczenie urządzenia
  • Długi czas drukowania dużych obiektów
  • Do obróbki i czyszczenia wymagany jest odpowiedni odkurzacz i sprężone powietrze

Porównanie technologii druku 3D

ParametrOsadzanie topionego materiałuStereolitografiaSelektywne Spiekanie Laserowe
Skrót (eng.)FDMSLASLS
Zasada działaniaUkładanie modelu ze stopionej żyłkiUtwardzanie żywicy w świetle UVSpiekanie laserem
Używane materiały
Polimery termoplastyczne w formie żyłki (filamentu) np. PLA, ABS
Żywice/materiały światłoutwardzalneSproszkowane, spiekalne polimery (np. poliamidy, TPU, TPE)
Zalety– niskie koszty
– szybkość drukowania
– wysoka rozdzielczość druku
– wysoka automatyzacja procesu
– druk bez podpór
– tworzenie wysokiej jakości prototypów
– druk modeli z ruchomymi elementami
Wady– potrzeba użycia podpór
– istotne kurczenie się materiału związane z różnicami temperatur
– mała różnorodność materiałów
– wysokie koszty obsługi
długi czas drukowania

Zastosowania– fast prototyping
– education
– low volume production
– szybkie prototypowanie
– edukacja
– produkcja niskoseryjna
– modele o złożonej wewnętrznej geometrii
– modele dentystyczne
– edukacja
– funkcjonalne prototypy
– modele medyczne
– prototypowanie ruchomych mechanizmów
Grubość warstwy0.1 – 0.3 mm0.05 – 0.15 mm0.060 – 0.15 mm
Drukowanie bez dodawania podpór do modeluniemożliwew części przypadkówtak
Drukowanie modeli z ruchomymi częściami
nie zawsze możliwe (mniejsza precyzja)nietak