Kai plastiko ritinėlis tampa tikrove
Prisimenu, kaip prieš keletą metų draugas parsinešė namo savo pirmąjį 3D spausdintuvą. Tą vakarą stovėjome virtuvėje, žiūrėdami kaip lėtai, sluoksnis po sluoksnio, formuojasi mažytė plastikinė vazėlė. Buvo kažkas beveik magiško stebėti, kaip iš nieko atsiranda konkretus daiktas. Bet žinoma, jokios magijos čia nėra – tik protingai panaudota technologija, kuri per pastaruosius dešimtmečius tapo prieinama beveik kiekvienam.
3D spausdinimas, arba kaip jį vadina specialistai – adityvinis gamybos būdas, veikia visiškai priešingai nei tradicinė gamyba. Vietoj to, kad iš didelio metalo ar medžio gabalo išpjautume ar išfrezuotume reikiamą formą, čia mes tiesiog dedame medžiagą sluoksnis ant sluoksnio, kol susiformuoja norimas objektas. Tai tarsi statytume namą iš plytų, tik tos plytos būtų mikroskopinės ir dėliotųsi automatiškai pagal kompiuterio programą.
Nuo idėjos iki plastiko – kelias per kompiuterį
Bet pradėkime nuo pat pradžių. Kad 3D spausdintuvas galėtų ką nors pagaminti, jam reikia tikslių instrukcijų. Čia į žaidimą įsijungia 3D modeliavimo programos. Galite naudoti sudėtingas profesionalias programas kaip SolidWorks ar Fusion 360, o galite pradėti nuo paprastesnių kaip TinkerCAD. Esmė ta pati – jūs kompiuteryje sukuriate virtualų objekto modelį su visomis jo detalėmis, matmenimis ir formomis.
Kai modelis paruoštas, jis išsaugomas specialiu STL formatu. Šis failas iš esmės paverčia jūsų gražų 3D modelį į tūkstančius mažyčių trikampių, kurie apibūdina objekto paviršių. Skamba sudėtingai, bet kompiuteriui tai pati patogiausia kalba.
Toliau ateina labai svarbus žingsnis – modelio pjaustymas. Specialios programos, vadinamos “sliceriais” (Cura, PrusaSlicer, Simplify3D), paima tą STL failą ir supjausto jį į šimtus ar net tūkstančius horizontalių sluoksnių. Kiekvienas toks sluoksnis paprastai būna 0.1-0.3 milimetro storio. Programa taip pat nusprendžia, kur reikės atramų (jei spausdiname kažką, kas “kabėtų ore”), kokiu greičiu judės spausdinimo galvutė, kokia temperatūra bus reikalinga. Rezultatas – G-code failas, kuris yra tiesiog eilė komandų spausdintuvui: “judėk čia, išspausk tiek plastiko, pakeisk temperatūrą” ir panašiai.
Karštas plastikas ir tikslūs judesiai
Dabar pažiūrėkime, kas vyksta pačiame spausdintuve. Populiariausiuose namų 3D spausdintuvuose naudojama FDM (Fused Deposition Modeling) arba FFF (Fused Filament Fabrication) technologija. Tai iš esmės tas pats dalykas, tik skirtingi pavadinimai dėl patentų istorijos.
Spausdintuvo širdis yra ekstruderis – mechanizmas, kuris stumia plastikinį filamentą (paprastai 1.75mm ar 2.85mm skersmens ritinėlį) per karštą antgalį, vadinamą “hotend”. Čia vyksta pagrindinis dalykas – plastikas įkaitinamas iki 180-260 laipsnių Celcijaus, priklausomai nuo medžiagos tipo. PLA plastikas lydosi žemesnėje temperatūroje, ABS reikia daugiau šilumos, o specialūs plastikai kaip nailonas ar polikarbonatas reikalauja dar aukštesnių temperatūrų.
Išlydytas plastikas išspaudžiamas per labai mažą antgalį – paprastai 0.4mm skersmens, nors galima naudoti ir kitus dydžius. Smulkesnis antgalis leidžia spausdinti detalesnius objektus, bet procesas užtrunka ilgiau. Storesnis – greitesnis spausdinimas, bet mažiau detalių.
Visa ši konstrukcija juda trimis kryptimis – X, Y ir Z ašyse. Paprastai spausdinimo galvutė juda horizontaliai (X ir Y), o platforma, ant kurios formuojasi objektas, lėtai leidžiasi žemyn (Z ašis) po kiekvieno sluoksnio. Nors kai kuriuose spausdintuvuose būna atvirkščiai – platforma juda horizontaliai, o galvutė kyla aukštyn.
Kodėl pirmasis sluoksnis yra svarbiausias
Bet koks patyręs 3D spausdinimo entuziastas pasakys, kad pirmasis sluoksnis – tai 90% sėkmės. Jei plastikas gerai prilimpa prie platformos, viskas kita paprastai vyksta sklandžiai. Jei ne – pasiruoškite matyti, kaip jūsų objektas viduryje spausdinimo atsilipsta ir pavirsta plastiko spagečių krūva.
Todėl spausdinimo platforma turi būti idealiai išlyginta – visi jos kampai turi būti vienodame aukštyje nuo spausdinimo antgalio. Daugelis šiuolaikinių spausdintuvų turi automatinius lygiavimo daviklius, bet pigesnėse modelėse tai tenka daryti rankiniu būdu, sukiojant varžtus ir tikrinant tarpą su popieriaus lapeliu. Skamba primityviai, bet veikia.
Platforma dažnai būna šildoma – paprastai iki 50-110 laipsnių. Tai padeda plastikui geriau prilipti ir sumažina deformacijas vėstant. Kai kurie dar naudoja specialius lipnius paviršius, stiklą su specialiu padengimu ar net paprastą kanceliarinį klijų.
Kai objektas turi “kabėti ore”
Viena įdomesnių 3D spausdinimo problemų – kaip spausdinti dalykus, kurie turi išsikišusius elementus ar tuščias vietas? Plastikas negali tiesiog kabėti ore, kol nesukietės. Čia į pagalbą ateina atramos – laikinos konstrukcijos, kurias slicer programa automatiškai sugeneruoja po “kabančiomis” dalimis.
Yra keletas atramų tipų. Paprasčiausios – tiesiog vertikalios kolonėlės su horizontaliais tiltais. Sudėtingesnės – medžio formos struktūros, kurios naudoja mažiau medžiagos bet vis tiek palaiko objektą. Po spausdinimo šias atramas tenka nulaužti ar nupjauti, o kartais tai būna tikras iššūkis, ypač jei jos sunkiai prieinamose vietose.
Kai kurie spausdintuvai turi du ekstruderius ir gali spausdinti atramoms naudodami specialų lengvai tirpstantį plastiką. Pavyzdžiui, PVA plastikas tirpsta vandenyje, o HIPS – specialiame chemikale vadinamame limonenu. Užbaigus spausdinimą, tiesiog pamerkiate objektą į skystį ir atramos išnyksta. Labai patogu, bet tokia sistema brangesnė ir sudėtingesnė.
Ne tik plastikas – medžiagų įvairovė
Nors dažniausiai namie spausdiname iš PLA ar ABS plastiko, galimybės yra daug platesnės. PLA yra populiariausias, nes lengvai spausdinamas, nedaug kvepia, pagamintas iš atsinaujinančių išteklių (kukurūzų krakmolo). Jis tinka dekoratyviniams daiktams, prototipams, žaislams. Bet jis nėra labai tvirtas ir nepakenčia aukštos temperatūros – vasarą automobilyje paliktas PLA daiktas gali tiesiog išsikreipti.
ABS tviртesnis, atsporesnis karščiui, bet spausdinant skleidžia nemalonų kvapą ir reikia šildomos platformos. Jis linkęs trauktis vėsdamas, todėl dideli objektai gali deformuotis ar net plyšti spausdinant.
PETG – tarsi auksinis viduriukas tarp PLA ir ABS. Pakankamai tvirtas, atsparus, lengviau spausdinamas nei ABS, bet šiek tiek sudėtingesnis nei PLA. Puikiai tinka funkcionaliems daiktams, kurie turi atlaikyti tam tikrą apkrovą.
Yra ir egzotiškesnių variantų. TPU – lankstus, guminis plastikas, iš kurio galima spausdinti telefono dėklus ar amortizuojančias dalis. Nailonas – itin tvirtas ir atsparus dilimui. Polikarbonatas – beveik nesulaužomas. Yra net plastikas su medienos, metalo ar anglies pluošto priemaišomis, kuris suteikia objektams unikalią tekstūrą ir savybes.
Kai technologija išeina iš namų dirbtuvės
Namų FDM spausdintuvai – tik viena 3D spausdinimo technologijų šaka. Pramonėje naudojamos daug sudėtingesnės sistemos. SLA (Stereolithography) spausdintuvai naudoja skystą dervą, kurią kietina UV šviesa – rezultatas būna neįtikėtinai detalus ir lygus. SLS (Selective Laser Sintering) lazeriu sulydо metalų ar plastikų miltelius – taip galima gaminti labai tvirtas ir sudėtingas dalis, kurias neįmanoma pagaminti kitais būdais.
Medicinos srityje 3D spausdintuvai jau dabar gamina individualius implantus, dantų protezus, chirurginius modelius operacijų planavimui. Yra net eksperimentų su gyvų ląstelių “spausdinimu” – bioprinting, kuris ateityje galbūt leis spausdinti organus transplantacijai.
Statybose atsiranda milžiniški 3D spausdintuvai, kurie gali per kelias dienas “atspausdinti” visą namą iš betono. Kosminėje pramonėje jie naudojami gaminti lengvas, bet tvirtas raketos dalis. Maisto pramonėje – taip, yra ir maisto 3D spausdintuvai, kurie gali sukurti sudėtingas formas iš šokolado, tešlos ar kitų produktų.
Praktiniai patarimai pradedantiesiems
Jei svarstote įsigyti 3D spausdintuvą, štai keletas dalykų, kuriuos verta žinoti. Pirma, nebūtinai pirkti brangiausią modelį. Šiandien už 200-300 eurų galima gauti visai solidų spausdintuvą, kuris puikiai tiks mokytis ir eksperimentuoti. Populiarūs pasirinkimai pradedantiesiems: Creality Ender 3 serija, Prusa Mini, Anycubic Mega.
Pasiruoškite, kad pradžioje teks paeksperimentuoti. Pirmieji spaudiniai gali būti ne tokie, kokių tikėjotės. Tai normalu. 3D spausdinimas – tai nuolatinis mokymasis ir parametrų derinimas. Temperatūra, greitis, atramos, adhezija – visa tai reikia suderinti pagal jūsų konkretų spausdintuvą ir medžiagą.
Pradėkite nuo PLA plastiko – jis atlaidžiausias klaidoms. Įsigykite gerą platformos paviršių – stiklas su tekstūra ar magnetinė lanksčioji platforma labai palengvina gyvenimą. Būtinai išmokite teisingai išlyginti platformą – tai sutaupys daugybę nervų.
Neskubėkite didinti spausdinimo greičio. Lėtesnis spausdinimas paprastai duoda geresnius rezultatus, ypač mokantis. Geriau praleisti 5 valandas ir gauti gerą objektą, nei 2 valandas ir plastiko šiukšlių krūvą.
Prisijunkite prie bendruomenių – Facebook grupės, Reddit forumas r/3Dprinting, specializuoti forumai. Žmonės ten mielai padeda, dalinasi patarimais ir sprendžia problemas. 3D spausdinimo bendruomenė yra viena draugiškiausių, kokias esu matęs.
Kai sluoksniai tampa kūryba
3D spausdinimas per pastarąjį dešimtmetį evoliucionavo nuo brangios pramoninės technologijos iki prieinamo hobio ir verslo įrankio. Tai, kas kadaise kainavo šimtus tūkstančių, dabar telpa ant darbo stalo ir kainuoja kaip vidutinis telefonas. Ir technologija tik tobulėja – spausdintuvai tampa greitesni, tikslesni, patikimesni.
Bet gražiausia ne pati technologija, o tai, ką žmonės su ja daro. Mačiau, kaip kas nors atspausdino protezą vaikui, kuris kitaip negalėtų jo įpirkti. Kaip inžinieriai per naktį sukuria prototipą ir rytą jau gali jį testuoti. Kaip menininkai kuria skulptūras, kurių neįmanoma būtų pagaminti tradiciniais būdais. Kaip tėvai su vaikais kartu projektuoja ir spausdina žaislus, mokydamiesi inžinerijos pagrindų.
3D spausdintuvas – tai įrankis, kuris leidžia idėjoms tapti tikrovę. Galbūt ne tokia tobula tikrove, su matomais sluoksniais ir kartais šiurkščiais paviršiais, bet tikrove, kurią galima paliesti, panaudoti, patobulinti. Ir kuo daugiau žmonių turi prieigą prie šios technologijos, tuo daugiau įdomių, naudingų ir netikėtų dalykų pasaulyje atsiranda. Tai ir yra tikroji 3D spausdinimo magija.