Technologie druku 3D/4D

Wonjin Jo, Kyung Sung Chu, Heon Ju Lee, Myoung-Woon Moon

3D Printing Group, Computational Science Research Center Korea Institute of Science and Technology, 02792, Seoul, Republic of Korea

Material Matters, 2016, 11.2

wjjo@kist.re.kr

Rozwój technologii druku 3D

Technologia druku trójwymiarowego (3D), zwana również produkcją addytywną (AM), znalazła się ostatnio w centrum uwagi ze względu na jej potencjalne zastosowanie w zastosowaniach od narzędzi osobistych po sprzęt lotniczy. Chociaż technologia druku 3D dopiero niedawno stała się gorącym tematem, jej historia sięga 1983 roku, kiedy to pierwsza drukarka 3D została stworzona przez Charlesa W. Hulla, współzałożyciela 3D Systems.

Rozszerzony dostęp do drukarek 3D

Od tego czasu szybko pojawiły się nowe i szerokie zastosowania i rynki dla drukarek 3D, zwłaszcza wraz z wygaśnięciem szeregu podstawowych patentów na drukowanie 3D należących do Stratasys Inc. i 3D Systems Inc. Użytkownicy mogą z łatwością samodzielnie budować lub modyfikować drukarki 3D lub skorzystać z szybko rosnącej dostępności niedrogich drukarek 3D. Niedawna dostępność wysoce wydajnego oprogramowania do projektowania 3D i stron internetowych poświęconych projektowaniu 3D (np. Shapeway i Thingiverse) umożliwia udostępnianie stworzonych przez użytkowników bezpłatnych plików lub modeli cyfrowych projektów 3D, co prowadzi do większego dostępu do drukarek 3D i dodatkowego rozpowszechnienia technologii druku 3D. W porównaniu z tradycyjnymi technologiami produkcyjnymi, takimi jak odlewanie, obróbka skrawaniem i wiercenie, druk 3D jest uważany za wydajną technologię w zakresie energii i materiałów, wykorzystującą do 90% materiałów i zapewniającą do 50% oszczędności energii.¹

W miarę jak druk 3D staje się czymś więcej niż tylko prostym procesem produkcyjnym, zaczął wspierać konwergencję technologii i zastosowań, takich jak sprzęt sportowy, opakowania żywności i biżuteria, a także produkty w zaawansowanych technologicznie dziedzinach lotnictwa, medycyny, architektury, edukacji,^2,3 przemysł motoryzacyjny, wsparcie wojskowe i inne.

Popularne zastosowania

Moda: Podczas Nowojorskiego Tygodnia Mody w 2016 roku zaprezentowano dwie unikalne sukienki wydrukowane w 3D. Te arcydzieła powstały dzięki współpracy projektantów mody i firmy Stratasys zajmującej się drukiem 3D.⁴ Złożone projekty (np. mieszanie różnych splotów, biomimikra naturalnych tekstur zwierząt) i najnowocześniejsze materiały (np, nano-wzmocniony elastomerowy materiał do druku 3D) zapewniły sukienkom trwałość i elastyczność.

Medycyna regeneracyjna: Obszar medycyny regeneracyjnej również osiągnął imponujące zastosowania w dziedzinie druku 3D. Zespół dr Anthony'ego Atali z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine z powodzeniem wykorzystał technologię druku 3D do wytwarzania żywych narządów i tkanek (w tym struktur mięśniowych oraz tkanki kostnej i ucha).^5,6 Te biodrukowane części ciała są zdolne do generowania funkcjonalnej tkanki zastępczej.⁷

Kosmonautyka: NASA również wdraża techniki druku 3D i drukarki 3D w celu opracowania materiałów, które pozwolą astronautom naprawiać lub wymieniać niezbędne części i budować struktury w kosmosie. NASA współpracowała ostatnio z naukowcami z Washington State University w celu wyprodukowania repliki skały księżycowej przy użyciu surowego symulantu regolitu księżycowego i technologii druku laserowego 3D.^8,9

Budownictwo:Montaż modułowych materiałów budowlanych przy użyciu gigantycznych drukarek 3D do użytku w przemyśle mieszkaniowym zyskał duże zainteresowanie, zwłaszcza w biedniejszych krajach, podczas klęsk żywiołowych lub nagłych sytuacji kryzysowych. Niektórym firmom 3D udało się zbudować domy lub mosty z cementu, piasku lub materiałów betonowych.^10-12

Drukowanie 4D

Gwałtownie spadające koszty, ulepszone oprogramowanie i rosnący zakres materiałów do drukowania pomogły wprowadzić nową technologię zwaną drukowaniem czterowymiarowym (4D). Druk 4D zapewnia drukowanym obiektom możliwość zmiany formy lub funkcji w czasie w zależności od różnych bodźców, takich jak ciepło, woda, prąd lub światło (Rysunek 1A).¹³ Zasadniczą różnicą między drukowaniem 4D a drukowaniem 3D jest dodanie inteligentnego projektu lub responsywnych materiałów, które powodują zależne od czasu deformacje obiektów.

Przegląd ten obejmuje zarówno procesy drukowania 3D, jak i 4D oraz pokazuje materiały związane z różnymi rodzajami drukowania.

Rysunek 1. A) Schemat koncepcji 1-, 2-, 3- i 4D. B) Proces technologii druku 3D i 4D obejmuje trzy ogólne etapy: (1-2) modelowanie; (3-4) drukowanie; i (5) wykończenie.

Proces technologii druku 3D i 4D

Druk 3D to proces wytwarzania obiektów poprzez budowanie materiałów warstwa po warstwie. Rysunek 1B przedstawia proces druku 3D od modelowania do końcowego wydruku. W oparciu o wykorzystanie wspomaganego komputerowo projektowania (CAD) opisującego geometrię i rozmiar obiektów, które mają zostać wydrukowane, tworzony jest skomplikowany model 3D w formacie pliku STL (Rysunek 1B1, 1B2). Następnie jest on dzielony na szereg cyfrowych warstw przekrojowych zgodnie z ustawieniem grubości warstwy (Rysunek 1B3). Po ukończeniu modelu obiekt jest wytwarzany przez drukarkę 3D w procesie wytwarzania warstwa po warstwie w oparciu o serię warstw 2D w celu utworzenia statycznego obiektu 3D (Rysunek 1B4, 1B5). Drukowanie 3D może obejmować różne rodzaje materiałów, takie jak polimer termoplastyczny, proszek, metal, żywica utwardzana promieniami UV itp.

Drukowanie czterowymiarowe obejmuje komponent czasowy do drukowanych obiektów 3D, dzięki czemu proces projektowania staje się ważniejszy. Struktury drukowane w 4D muszą być szczegółowo zaprogramowane w oparciu o mechanizm transformacji kontrolowanych inteligentnych materiałów, które obejmują odkształcenia materiału zależne od czasu.¹³ Rysunki 2A-C pokazują struktury 3D, które samoczynnie składają się w oparciu o aktywację termiczną przestrzennie zmiennych wzorów drukowanych z różnych polimerów z pamięcią kształtu. Każdy polimer ma inne zachowanie zależne od temperatury, które może sprawić, że pudełko będzie się samoczynnie składać w sposób sekwencyjny w oparciu o inteligentny projekt i mechanizmy termomechaniczne.¹⁴ Wybór materiałów do druku 4D jest jednak znaczący, ponieważ większość materiałów do druku 3D jest zaprojektowana tylko do wytwarzania sztywnych, statycznych obiektów. Niedawno opracowano niektóre inteligentne materiały z pamięcią kształtu stopów/polimerów, aby wykorzystać ich samoorganizujące się zachowania napędzane ciepłem, promieniowaniem UV lub absorpcją wody, jak pokazano na Rysunku 2D-F.^13,15 Na przykład, reagująca na temperaturę sztuczna ręka pokazana na Rysunku 2F została wydrukowana z reagującego na temperaturę filamentu TPU (termiczny poliuretan). Ma on zdolność do kurczenia się lub rozszerzania w odpowiedzi na określone temperatury. Ponadto, w druku 4D przydatne są również materiały wielomateriałowe o różnych zachowaniach środowiskowych. Grupa badawcza z Massachusetts Institute of Technology wykorzystała dwa różne materiały o różnej porowatości i zdolności pochłaniania wody do drukowania przekształcalnych struktur.^16,17 Składał się z porowatego materiału pochłaniającego wodę po jednej stronie i sztywnego wodoodpornego materiału po przeciwnej stronie. Po wystawieniu na działanie wody, strona pochłaniająca wodę zwiększała swoją objętość, podczas gdy druga strona pozostawała niezmieniona, powodując deformację kształtu.

Rysunek 2. A-B) Projekt składanego pudełka z różnymi materiałami przypisanymi do różnych zawiasów. C) Po podgrzaniu, zaprogramowany arkusz wydrukowany w 3D składa się w pudełko z mechanizmem samoblokującym. Copyright 2015, rights managed by Nature Publishing Group. D-E) Powstałe spuchnięte struktury kwiatowe zostały wygenerowane przez biomimetyczny druk 4D z kompozytowym hydrożelem i włóknami celulozy. Copyright 2016, rights managed by Nature Publishing Group. F) Reagująca na temperaturę sztuczna ręka została wykonana z reagującego na temperaturę filamentu TPU.

Klasyfikacja technologii druku 3D i 4D

Technologie druku 3D i 4D dzielą się na różne procesy druku, definiowane głównie przez rodzaje wykorzystywanych materiałów. Wybór materiałów ma bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne lub termiczne, a także bodźce transformacji gotowych obiektów. W tej sekcji opisano trzy najpopularniejsze rodzaje druku 3D i 4D oraz dokonano przeglądu najczęściej stosowanych materiałów w tych procesach.

Fused-deposition Modeling (FDM)

Metoda FDM polega na wytłaczaniu materiałów termoplastycznych i umieszczaniu półstopionych materiałów na scenie w celu wytworzenia struktury 3D warstwa po warstwie.¹⁸ Mówiąc dokładniej, termoplastyczny filament jest najpierw doprowadzany do wytłaczarki, która podaje i cofa filament w precyzyjnych ilościach. Filament jest topiony przez blok grzejny ustawiony na temperaturę topnienia i przesuwany przez końcówkę dyszy wytłaczającej za pomocą dwóch rolek. Wytłaczany filament jest osadzany, gdy głowica drukująca śledzi projekt każdej zdefiniowanej warstwy przekroju pożądanej struktury za pomocą cyfrowo ustawionego mechanizmu. Następnie stopień przesuwa się do pozycji Z zgodnie z ustawioną wartością grubości warstwy. Kroki te są powtarzane, aby zakończyć wytwarzanie struktury 3D.

Jedną z zalet FDM jest dostępność różnych materiałów filamentowych, jak pokazano na Rysunku 3. Szeroki wybór filamentów FDM jest dostępny w handlu o różnych właściwościach wytrzymałościowych i temperaturowych, takich jak ABS (akrylonitryl-butadien-styren, nr produktu. 3DXABS001-3DXABS0016), nylon (nr produktu 3DXION001-3DXION004), PET (politereftalan etylenu, nr produktu 900095 i 900125), TPU (poliuretan termiczny, nr produktu 900126), POM (polioksymetylen), PC (poliwęglan), HIPS (polistyren wysokoudarowy) i PVA (alkohol poliwinylowy). Ponadto niektóre materiały mogą być wykorzystywane jako surowiec do mieszania z innymi materiałami funkcjonalnymi w celu poprawy określonych funkcji. Wśród nich, filament PLA (kwas polimlekowy) jest popularnym wyborem ze względu na wiele dostępnych właściwości, jak pokazano na Rysunku 3. Ze względu na zachowanie termoplastyczne, wiele filamentów FDM może być również wykorzystywanych jako materiały 4D pod wpływem zastosowanej zmiany ciepła.

Rysunek 3. Termoplastyczne filamenty do modelowania termicznego (FDM). Kwiat wydrukowany w technologii FDM został wykonany z filamentu zmieniającego kolor pod wpływem promieniowania UV.

Drukowanie 3D z użyciem łoża proszkowego i głowicy atramentowej (PBP)

Proces PBP jest adaptacją druku atramentowego. W tym procesie warstwa proszku jest najpierw osadzana i walcowana w celu zapewnienia jednolitej grubości, a następnie głowica drukująca atramentowa upuszcza spoiwo w określonym wzorze podczas ruchu, tworząc pojedynczą warstwę drukowanego obiektu na złożu proszku. Kolejna warstwa proszku jest rozprowadzana na zdeponowanym płynnym spoiwie, a proces ten jest powtarzany, przy czym każda warstwa przylega do poprzedniej. Struktury podporowe nie są wymagane w PBP ze względu na łatwość usuwania niezwiązanego proszku za pomocą pistoletu pneumatycznego po zestaleniu gotowego obiektu. Zastosowanie wielu głowic drukujących z kolorowym spoiwem umożliwia drukowanie w pełnym kolorze.

Wśród różnych dostępnych proszków, siarczan wapnia (CaSO₄, nr produktu. 255696 i 237132) jest jednym z najczęściej stosowanych ze względu na jego zdolność do reagowania ze spoiwami na bazie wody. Może szybko reagować z roztworami na bazie wody i zmieniać się w gips (CaSO₄ ∙ 2H₂O) w stanie stałym.¹⁹ W tej metodzie siła wiązania jest kluczowym czynnikiem określającym właściwości fizyczne i chemiczne drukowanego urządzenia. Dlatego należy dokładnie rozważyć właściwą kombinację proszku i spoiwa.

W ostatnim czasie firma Voxeljet opracowała największy na świecie przemysłowy system PBP (VX4000) do form piaskowych. Największa spójna przestrzeń robocza wynosi 4000 × 2000 × 1000 mm (dł. × szer. × wys.) przy 300 μM warstwy nakładanej w jednym cyklu.²⁰

Stereolitografia (SLA)

SLA łączy ultrafioletowe (UV) lub widzialne światło lasera z utwardzalnymi ciekłymi żywicami fotopolimerowymi. Aby utworzyć każdą warstwę, wiązka lasera oświetla przekrój 2D obiektu w kadzi z żywicą, umożliwiając zestalenie się żywicy. Następnie obiekt jest podnoszony o równą odległość grubości warstwy, aby wypełnić żywicą i utrzymać kontakt z dnem obiektu. Proces ten jest powtarzany aż do ukończenia całego modelu, po czym platforma jest podnoszona z kadzi, a nadmiar żywicy jest spuszczany. Na koniec obiekt SLA jest wykańczany przez mycie i utwardzanie w świetle UV. SLA zapewnia gładszą powierzchnię produktu końcowego w porównaniu do innych metod druku 3D, co wynika z zastosowania ciekłych fotopolimerów. Chociaż SLA może wytwarzać szeroką gamę kształtów, jego wady obejmują znaczną ilość odpadów żywicy i potrzebę intensywnego czyszczenia po wytworzeniu. Co więcej, żywice stosowane w tym procesie są ograniczone do żywic epoksydowych lub akrylowych, z których większość może kurczyć się po polimeryzacji. Firma Carbon 3D Inc. ogłosiła nową metodę produkcji ciągłego interfejsu cieczy (CLIP), która może drukować obiekt 100 razy szybciej niż istniejące metody, tworząc strefę zubożenia tlenu (martwą strefę) w ciekłych żywicach, jak pokazano na Rysunku 4.²¹ Wprowadzenie unikalnego okna przepuszczającego tlen w zbiorniku żywicy tworzy cienki płynny interfejs nieutwardzonej żywicy między oknem a częścią drukującą. Ta pozbawiona tlenu martwa strefa pozwala na ciągłą translację i utwardzanie żywicy powyżej martwej strefy, tworząc spójną stałą część.

Rysunek 4. A) Schemat drukarki CLIP. B) Uzyskane części za pomocą CLIP przy prędkości drukowania 500 mm/godz. Copyright 2015, The American Association for the Advancement of Science.

Przyszłe perspektywy

Technologia druku trójwymiarowego jest wysoce wszechstronna i wydajna pod względem projektowania, wytwarzania i zastosowań. Druk 4D może mieć ogromne znaczenie w przyszłości ze względu na jego potencjał do przedefiniowania branż związanych z produkcją. Technologia ta musi jednak zostać jeszcze bardziej dopracowana, zanim będzie mogła zastąpić konwencjonalne metody produkcji. Dlatego też przyszłe badania i inwestycje w technologie druku 3D i 4D są niezbędne do wprowadzenia ulepszeń w kluczowych obszarach, w tym w zakresie materiałów, systemów drukarek i rynków produktowych.

Referencje

1. Matthew C. May 2013. Pangaea Blog. [Internet]. Available from: http://www.pangaeaventures.com/blog/additive-manufacturing-printing-a-better-and-cleaner-world

2. July 2014. 3-D printer to aid the visually impaired students in their educational endeavors. [Internet]. ScienceDaily . Available from: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/07/140702102601

3. Wonjin J, Jang HI, Harianto RA, So JH, Lee H, Lee HJ, Moon M. 2016. Introduction of 3D Printing Technology in the Classroom for Visually Impaired Students. Journal of Visual Impairment & Blindness. 110(2):115-121. https://doi.org/10.1177/0145482x1611000205

4. Tess. 2016. threeASFOUR unveils two spectacular 3D printed dresses at New York Fashion Week. [Internet]. Available from: https://www.3ders.org/articles/20160216-threeasfour-unveils-two-spectacular-3d-printed-dresses-at-new-york-fashion-week.html

5. Kang H, Lee SJ, Ko IK, Kengla C, Yoo JJ, Atala A. 2016. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity. Nat Biotechnol. 34(3):312-319. https://doi.org/10.1038/nbt.3413

6. Shafiee A, Atala A. 2016. Printing Technologies for Medical Applications. Trends in Molecular Medicine. 22(3):254-265. https://doi.org/10.1016/j.molmed.2016.01.003

7. Feb 2016. Bioprinter' creates bespoke lab-grown body parts for transplant. [Internet]. Tim Radford. Available from: https://www.theguardian.com/science/2016/feb/15/bioprinter-creates-bespoke-lab-grown-body-parts-for-transplant

8. Megan G. 2012. 3D Printer Could Transform Moon Dirt Into Lunar Base. [Internet]. SPACE.com. Available from: https://www.space.com/18694-moon-dirt-3d-printing-lunar-base.html

9. Krishna Balla V, Roberson LB, O'Connor GW, Trigwell S, Bose S, Bandyopadhyay A. 2012. First demonstration on direct laser fabrication of lunar regolith parts. Rapid Prototyping Journal. 18(6):451-457. https://doi.org/10.1108/13552541211271992

10. Mar 2015. WASP. Available from: http://www.wasproject.it/w/en/new-extruder-wasp-can-trulyrealize-house-dream/

11. Eddie K. Aug 2014. World’s First 3D Printed Castle is Complete – Andrey Rudenko Now to Print a Full-size House. [Internet]. 3DPrint.com. Available from: http://3dprint.com/12933/3dprinted-castle-complete/

12. Kira. 2015. 3Ders.org. Available from: http://www.3ders.org/articles/20150118-winsunbuilds-world-first-3d-printed-villa-and-tallest-3d-printed-building-in-china.html

13. Choi J, Kwon O, Jo W, Lee HJ, Moon M. 2015. 4D Printing Technology: A Review. 3D Printing and Additive Manufacturing. 2(4):159-167. https://doi.org/10.1089/3dp.2015.0039

14. Mao Y, Yu K, Isakov MS, Wu J, Dunn ML, Jerry Qi H. 2015. Sequential Self-Folding Structures by 3D Printed Digital Shape Memory Polymers. Sci Rep. 5(1): https://doi.org/10.1038/srep13616

15. Sydney Gladman A, Matsumoto EA, Nuzzo RG, Mahadevan L, Lewis JA. 2016. Biomimetic 4D printing. Nature Mater. 15(4):413-418. https://doi.org/10.1038/nmat4544

16. Tibbits S. 2014. 4D Printing: Multi-Material Shape Change. Archit Design. 84(1):116-121. https://doi.org/10.1002/ad.1710

17. Raviv D, Zhao W, McKnelly C, Papadopoulou A, Kadambi A, Shi B, Hirsch S, Dikovsky D, Zyracki M, Olguin C, et al. 2015. Active Printed Materials for Complex Self-Evolving Deformations. Sci Rep. 4(1): https://doi.org/10.1038/srep07422

18. Jo W, Kim DH, Lee JS, Lee HJ, Moon M. 3D printed tactile pattern formation on paper with thermal reflow method. RSC Adv.. 4(60):31764-31770. https://doi.org/10.1039/c4ra02822h

19. Liu W, Wu C, Liu W, Zhai W, Chang J. 2013. The effect of plaster (CaSO4·1/2H2O) on the compressive strength, self-setting property, and in vitro bioactivity of silicate-based bone cement. J. Biomed. Mater. Res.. 101B(2):279-286. https://doi.org/10.1002/jbm.b.32837

20. INDUSTRIAL 3D PRINTING SYSTEMS: EFFICIENT AND ECONOMICAL. [Internet]. Available from: http://www.voxeljet.de/en/systems/vx4000/

21. Tumbleston JR, Shirvanyants D, Ermoshkin N, Janusziewicz R, Johnson AR, Kelly D, Chen K, Pinschmidt R, Rolland JP, Ermoshkin A, et al. 2015. Continuous liquid interface production of 3D objects. Science. 347(6228):1349-1352. https://doi.org/10.1126/science.aaa2397