3D spausdinimas nuolat tobulėja, ir pastaraisiais metais 3D spausdinimo granulės tampa vis dažnesnės pokalbiuose, dirbtuvėse ir gamyklose. Nors iki šiol buvo įprasta kalbėti tik apie filamentų rites, vis daugiau žmonių svarsto galimybę dirbti tiesiogiai su plastiko granulėmis, kaip tai daroma pramoninio liejimo procesuose.
Šis pokytis nėra trumpalaikė mada. 3D spausdinimas granulėmis atveria duris į žymiai mažesnes medžiagų sąnaudas, didesnį greitį ir didesnę dizaino laisvę , ypač didelėms detalėms, ilgiems gamybos ciklams ar sudėtingoms pramonės reikmėms. Tačiau tam reikia suprasti, kaip veikia granulių ekstruzija, kokios medžiagos yra prieinamos ir kokius privalumus bei trūkumus ji turi, palyginti su tradiciniu filamentiniu FDM spausdinimu.
Kas yra 3D spausdinimo granulės ir kaip jos gaunamos?
Kalbėdami apie granules 3D spausdinime, turime omenyje termoplastinių polimerų granules , kurios naudojamos kaip žaliava detalėms sluoksnis po sluoksnio gaminti. Tai maži suspausto plastiko rutuliukai arba cilindrai, labai panašūs į tuos, kurie naudojami liejimo pramonėje arba filamentų ekstruzijoje.
Šios granulės gaunamos granuliavimo būdu . Šio proceso metu pagrindinė medžiaga (plastikas, kompozitai, mineraliniai užpildai ar kitos cheminės medžiagos) yra išlydoma, prireikus sumaišoma su priedais ar armatūra, o tada išspaudžiama į juosteles, kurios linijos pabaigoje supjaustomos į mažus, vienodo dydžio gabalėlius: granules.
Įdomu tai, kad dauguma FDM technologijoje naudojamų gijų yra gaminamos būtent iš šių plastikinių granulių . Kitaip tariant, tradiciniame gamybos procese pirmiausia gaunamos granulės, kurios perlydomos, kad taptų gijomis, ir galiausiai tos gijos vėl patenka per 3D spausdintuvo ekstruderį. Dirbant tiesiogiai su granulėmis, šio tarpinio etapo nereikia.
Granulės skirtos ne tik 3D spausdinimui. Pagrindinė jų paskirtis išlieka liejimas įpurškimu , pūtimu, lakštų ekstruzija ir panašiais procesais. Tačiau dėl pridėtinės gamybos pažangos daugelis gamintojų pradėjo siūlyti granulių asortimentus, optimizuotus tiesioginiam ekstruzijai 3D spausdintuvuose, sukurtuose arba pritaikytuose šiam tikslui.
Pavyzdžiui, rinkoje randame didelio grynumo PLA granulių , specialiai sukurtų dviem tikslams: savo filamento gamybai ir tiesioginiam ekstruzijai granulių ekstruderiais. Tipiškas pavyzdys yra 1 kg PLA granulės, pagamintos iš polilaktinės rūgšties, gaunamos iš atsinaujinančių šaltinių, tokių kaip kukurūzai, bulvės ar cukranendrės, kurios yra visiškai biologiškai skaidžios ir neturi perdirbtų ar regeneruotų medžiagų.
Kuo skiriasi 3D spausdinimas granulėmis ir spausdinimas filamentais?
Plačiausiai paplitusi FDM technologija veikia uždedant išlydytą termoplastinę giją . Ritė stumia giją link ekstruderio, kuris ją kaitina, kol išsilydo, ir tada sluoksnis po sluoksnio uždeda ant pagrindo, sekdamas pjaustytuvo pažymėtus kelius.
3D granulių spausdinimo koncepcija yra ta pati (nuoseklių išlydytos medžiagos sluoksnių uždėjimas), tačiau medžiagos patekimo į sistemą būdas radikaliai pasikeičia. Vietoj ištisinio ritės naudojamos birūs granulės, kurios patenka į granulėms skirtą ekstruderį.
Šie ekstruderiai turi piltuvą arba padavimo baką, į kurį kraunamos granulės. Iš ten sraigtinis konvejeris arba kita pavaros sistema stumia medžiagą link karšto lydymo zonos. Išlydytas polimeras yra ekstruzuojamas per antgalį ir nusodamas ant spausdinimo sluoksnio labai panašiai kaip ir filamentų ekstruzijos metu.
Šio tipo granulių spausdinimo galvutės gali būti integruotos į stalinius spausdintuvus, robotines rankas, didelio formato mašinas (LFAM) ir net hibridines sistemas, kurios tame pačiame įrenginyje sujungia granulių ekstruziją su gijų ekstruzija, kaip tai daroma daugiamedžiagių 3D spausdinimo atveju . Tai apima tiek didelio masto projektus, tiek detalias dalis, kurias galima spausdinti įprastais gijomis.
Svarbu pažymėti, kad granulėms ir filamentui naudojamas skirtingas ekstruderis ar techninė įranga . Purkštukų geometrija, padavimo sistema ir srauto valdymas labai skiriasi. Todėl atsirado specialūs komerciniai sprendimai ir konvertavimo rinkiniai, leidžiantys tam tikrus FDM spausdintuvus pritaikyti dirbti tiesiogiai su granulėmis.
Granulių rūšys ir medžiagos, prieinamos
Vienas didžiausių darbo su granulėmis privalumų yra platus medžiagų pasirinkimas, daugelis jų identiškos toms, kurios naudojamos pramoninio liejimo procesuose. Tai atveria daugybę galimybių, be įprastų PLA ar ABS, naudojamų namų projektuose.
3D spausdinimo granulių kategorijoje randame standartinius termoplastus, tokius kaip PLA, ABS, ASA, PET ir PETG . Tai gerai žinomos medžiagos gamintojų pasaulyje, tačiau granulių pavidalu jos gali pasiūlyti savybes, artimesnes originaliai žaliavai, nes nereikia papildomo gijų ekstruzijos etapo.
Taip pat yra techniškai pažangesnių ir atsparesnių medžiagų, tokių kaip poliamidai (PA), polikarbonatai (PC), polipropilenas (PP) ir smūgiams atsparus polistirenas (HiPS) . Šios medžiagos pasižymi geresnėmis mechaninėmis savybėmis, atsparumu karščiui ir cheminėmis savybėmis, todėl jos idealiai tinka funkcinėms dalims, kurioms taikomos įtempiai.
Iš ten atsiveria durys į visą labai specializuotų medžiagų šeimą . Tai pasakytina apie didelio našumo granules, tokias kaip PEEK, PEKK arba PEI, kurios plačiai naudojamos tokiuose sektoriuose kaip aviacijos ir kosmoso pramonė ar medicina dėl jų atsparumo aukštai temperatūrai, matmenų stabilumo ir elgsenos veikiant cheminėms medžiagoms.
Taip pat yra pluoštu armuotų granulių (stiklo, anglies ar kitų pluoštų), kurios pagerina standumą ir konstrukcijos stiprumą, laidžių granulių elektronikos reikmėms, sukepinamų granulių arba lydamųjų granulių, kurios naudojamos kaip modeliai vaško liejimo procesuose.
Kita labai praktiška kategorija yra atraminės granulės ir tirpios granulės , skirtos sukurti atramines struktūras, kurias vėliau galima mechaniškai pašalinti arba ištirpinti konkrečiame skystyje. Tai leidžia lengviau pasiekti labai sudėtingas geometrijas neprarandant lengvo tolesnio apdorojimo.
Galiausiai yra valymo granulės ir dekoratyvinės granulės . Pirmosios padeda išvalyti ekstruderį tarp medžiagos ar spalvos pakeitimų ir palaiko gerą sistemos veikimą. Antrosios apima medienos, akmens, metalo ar kitų estetinių priedų užpildus, kurie leidžia sukurti įspūdingą vizualinę apdailą meniniams ar dizaino projektams.
3D spausdinimo granulių privalumai
Vienas iš stipriausių argumentų, kodėl verta spausdinti 3D granulėmis, yra sutaupytos medžiagų sąnaudos . Granulės paprastai parduodamos daug pigiau už kilogramą nei filamentas, nes jos pašalina papildomus su filamento ritėmis susijusius ekstruzijos, vyniojimo, skersmens kontrolės, pakavimo ir logistikos procesus.
Dėl mažesnės kainos ir didesnio ekstruzijos greičio , palyginti su įprastu stalinių filamentinių spausdintuvų modeliu, granulių ekstruzija yra ypač patraukli technologija didelių detalių arba didelio tiražo gamybai. Tokiais atvejais vienos detalės kaina gali gerokai sumažėti.
Dar vienas svarbus privalumas – mažesnis strigimų skaičius, palyginti su filamentu . Kadangi nereikia naudoti ištisinės gijos, kuri gali sulinkti, nutrūkti ar susipainioti ant ritės, pašalinamos kelios tipinės buitinių FDM spausdintuvų gedimų priežastys. Granulės tiekiamos iš bunkerio, todėl yra mažiau taškų, kur srautas gali būti užblokuotas.
Dirbant tiesiogiai su granulėmis, geriau išsaugomos pradinės žaliavos fizinės ir cheminės savybės . Kiekvieną kartą, kai polimeras kaitinamas ir vėl išspaudžiamas, jo grandinės šiek tiek suyra. Gaminant gijas, atliekamas šis papildomas kaitinimas: pirmiausia granulėms pagaminti, tada jas paversti gijomis ir galiausiai pačiame 3D spausdintuve.
Spausdinant tiesiai iš granulių, viena iš kaitinimo ir transformacijos fazių pašalinama. Tai reiškia, kad galutinė medžiaga yra panašesnė į naudojamą liejant įpurškimu, geriau išlaiko mechanines, šilumines ir chemines savybes , be to, reikia mažiau priedų, kurie kompensuotų polimero degradaciją.
Granulių spausdinimas taip pat leidžia gana paprastai kurti įvairiaspalves detales . Sumaišius skirtingų spalvų granules tame pačiame bunkeryje, visoje detalėje galima pasiekti įvairių chromatinių efektų, nereikia keisti ričių ar naudoti sudėtingų kelių ekstruderių sistemų. Rezultatas gali būti šiek tiek mažiau kontroliuojamas nei specialios kelių medžiagų sistemos, tačiau jis suteikia labai įdomių kūrybinių galimybių.
Projektavimo požiūriu, granulių ekstruzija leidžia gaminti sudėtingas geometrines figūras ir dideles detales dėl žymiai didesnio medžiagų srauto, o tai yra labai svarbu didelio formato pridėtinės gamybos sistemose. Tokie sektoriai kaip automobilių, aviacijos ir kosmoso, statybos ir pramoninių įrankių gamyba gali spausdinti dideles konstrukcijas per priimtiną laiką ir kontroliuojamomis sąnaudomis.
3D spausdinimo granulėmis trūkumai ir iššūkiai
Nepaisant visų privalumų, granulių pagrindu sukurtas 3D spausdinimas vis dar susiduria su tam tikromis kliūtimis, kurios riboja jo platų pritaikymą . Pirma, jis netapo toks demokratiškas kaip filamentų pagrindu sukurtas FDM. Komercinių spausdintuvų, specialiai sukurtų darbui su granulėmis, yra mažiau, ir ne visus namų spausdintuvus galima lengvai pritaikyti.
Patikimo granulių ekstruderio sukūrimas reikalauja sudėtingesnių inžinerinių sprendimų sraigtinio konvejerio lygmeniu, įskaitant temperatūros valdymą, jutiklius ir srauto reguliavimą. Tai reiškia, kad šiuo metu dauguma prieinamų sprendimų yra skirti įmonėms, tyrimų centrams arba pažengusiems vartotojams, turintiems didesnį biudžetą.
Kitas didelis iššūkis – medžiagos srauto valdymas . Skirtingai nuo filamento, kuris sudaro idealiai nukreiptą, ištisinę giją, granulės yra birios dalelės. Dėl to sunku tiksliai reguliuoti ekstruzijos greičio pokyčius, reikalingus detalėms su smulkiomis detalėmis, staigiais skerspjūvio pokyčiais arba aukštos kokybės vizualiniais paviršiais.
Praktiškai tai reiškia, kad kai kurias geometriškai sudėtingas dalis gali būti sunkiau atkurti kokybiškai naudojant granuliavimą, ypač naudojant mažiau sudėtingą įrangą. Norint pasiekti nuoseklių rezultatų, reikia kruopštaus kalibravimo, spausdinimo profilių ir proceso parametrų .
Taip pat svarbu atsižvelgti į tai, kad granulių spausdinimo medžiagų profilių, dokumentacijos ir palaikymo ekosistema yra mažiau išsivysčiusi nei filamentų pasaulyje, kur beveik kiekvienas spausdintuvas turi dešimtis iš anksto nustatytų profilių ir daugybę bendrų bendruomenės patirčių. Granulių spausdinimo standartizacijos ir naudojimo paprastumo srityje dar reikia nuveikti tam tikrą darbą.
Granulių panaudojimo sritys ir sektoriai
Granulių universalumas ir platus prieinamų polimerų pasirinkimas leidžia šią technologiją naudoti daugybėje sektorių ir projektų tipų . Nuo greito prototipų kūrimo iki mažų partijų gamybos – galimybės yra plačios.
Produktų kūrimo ir prototipų kūrimo srityje granulės leidžia greitai atlikti projektavimo iteracijas su mažesnėmis medžiagų sąnaudomis, ypač didelių prototipų, kurie naudojant filamentą būtų labai brangūs, atveju. Tai palengvina idėjų, ergonomikos, surinkimo ir mechaninių savybių patvirtinimą prieš pereinant prie galutinių gamybos procesų.
Mažais arba individualiais gamybos kiekiais granulių spausdinimas leidžia pagaminti mažas funkcinių dalių partijas už prieinamą kainą ir neinvestuojant į liejimo formas, kurios atsiperka tik gaminant didelius kiekius. Tai idealiai tinka įmonėms, kurios dirba su užsakymais pagal poreikį arba labai individualiai pritaikytais produktais.
Aviacijos ir kosmoso bei automobilių pramonė yra du sektoriai, kuriuose labai patrauklus yra naudoti didelio našumo medžiagas, tokias kaip PEEK, PEKK arba PEI granulių pavidalu, ypač derinant jas su pluošto armatūra. Galima gaminti lengvas, tvirtas, geras šilumines savybes turinčias dalis, taip pat įrankius ir pagalbinius komponentus gamybos linijoms.
Medicinos srityje galimybė naudoti specifinius biopolimerus granulių pavidalu leidžia gaminti individualiai pritaikytus komponentus , įtvarus, atramas ar pagalbinius elementus, kurie išnaudoja 3D spausdinimo tikslumą ir tam tikrų medicininės klasės polimerų specifines savybes.
Vartojimo prekių ir meninių projektų kūrėjams granulės taip pat yra įdomus pasirinkimas, ypač dėl medžiagų su dekoratyviniais užpildais (mediena, akmuo, metalas), kurios suteikia vizualiai labai patrauklią apdailą, taip pat dėl galimybės žaisti su spalvų mišiniais piltuvyje, kad būtų pasiekti skirtingi chromatiniai efektai.
Galiausiai, didelio formato pridėtinės gamybos (LFAM) srityje granulių ekstruzija tapo praktiškai de facto standartu. Galimybė per laiko vienetą uždėti didelius medžiagos kiekius leidžia spausdinti baldus, konstrukcijas, liejimo formas, transporto priemonių kėbulus ir kitus didelio masto gaminius, kurių būtų neįmanoma pagaminti naudojant paprastą gijos ritę.
PLA granulės: aiškus 3D spausdinimui skirtos medžiagos pavyzdys
Iš visų prieinamų medžiagų granuliuota PLA yra vienas reprezentatyviausių 3D spausdinimui skirtų granulių pavyzdžių. PLA (polilaktinė rūgštis arba polilaktidas) yra biologiškai skaidus polimeras, gaminamas iš atsinaujinančių žaliavų, tokių kaip kukurūzų krakmolas, bulvės arba cukranendrės.
Aukštos kokybės PLA granulės paprastai gaminamos iš labai grynos žaliavos , be jokių perdirbtų ar regeneruotų medžiagų mišinių. Tai užtikrina pastovų ekstruzijos našumą ir labiau nuspėjamas mechanines bei šilumines savybes, kurios yra labai svarbios, nesvarbu, ar tai skirta gijų gamybai, ar tiesioginiam granulių ekstruzijai 3D spausdintuvu.
Šios PLA granulės paprastai parduodamos 1 kg formatu (arba kitais panašiais formatais) ir gali būti naudojamos dviem pagrindiniais būdais: kaip pagrindas vartotojui gaminti savo filamentą naudojant buitinį arba pramoninį filamento ekstruderį arba tiesiogiai kaip žaliava granulių ekstruderio spausdintuve.
PLA granulių naudojimas tiesioginiam spausdinimui suteikia tuos pačius bendruosius privalumus kaip ir granulių technologija: mažesnę kainą, geresnį savybių išsaugojimą ir didesnį proceso planavimo lankstumą. Be to, kadangi tai yra gana lengvai spausdinama medžiaga, tai geras pradinis taškas tiems, kurie nori pradėti dirbti su granulėmis, iš karto nesigilindami į sudėtingesnius inžinerinius polimerus.
Daugeliu atvejų darbas su PLA granulėmis taip pat leidžia eksperimentuoti su spalvų mišiniais, kompozicijomis ar priedais prieš pereinant prie galimo didelio masto gijų ar galutinių dalių gamybos, todėl ši medžiaga yra labai universalus pasirinkimas tiek pažengusiems gamintojams, tiek įmonėms, kurios kuria naujų junginių prototipus.
Dabartinė granulių rinkos padėtis ir ateitis 3D spausdinime
Granulių naudojimas 3D spausdinime auga, tačiau, palyginti su filamentų dominavimu namų ir smulkaus verslo segmente, jis vis dar yra plėtros ir konsolidacijos etape . Tačiau gamintojai ir tiekėjai aiškiai perėjo prie granulių ekstruzijos sprendimų.
Tokiose šalyse kaip Ispanija jau yra specializuotų įmonių, kurios tvirtai įsipareigojusios naudoti šią technologiją. Tokie gamintojai kaip „Tumaker“, kurių granuliniai spausdintuvai yra sukurti taip, kad atitiktų kiekvieno vartotojo poreikius, arba didelio formato sprendimai, tokie kaip „Discovery 3D Printers“, kurie dirba su granuliuotais termoplastikais, yra ryškūs šios tendencijos pavyzdžiai.
Tuo pačiu metu daugelis kūrėjų kuria pritaikomas granulių ekstruzijos galvutes , kurias galima montuoti ant standartinių spausdintuvų arba pramoninių robotų, todėl granulių ekstruzija lengviau pasiekia MVĮ, mokymo centrus ir laboratorijas, norinčias eksperimentuoti su šia gamybos forma.
Dar reikia pamatyti, kiek ši technologija tam tikrais atvejais galės pakeisti filamentų rites . Labiausiai tikėtina, kad jos egzistuos kartu ilgą laiką: filamentai išliks nepralenkiami paprastumo, prieinamumo ir ekosistemos požiūriu namų vartotojams, o granulės užims vietą pramonėje, didelio masto gamyboje arba didelių detalių gamyboje.
Akivaizdu, kad 3D spausdinimo granulės jau tapo pagrindiniu elementu, skatinančiu inovacijas ir efektyvumą adityviojoje gamyboje . Jose derinamas atliekų mažinimas, dizaino laisvė, geresnės mechaninės savybės ir platus medžiagų pasirinkimas, todėl jos idealiai tinka tokiems įvairiems sektoriams kaip aviacijos ir kosmoso, automobilių, medicinos, vartojimo prekių ir meno pramonė.
Bet kuriam asmeniui ar įmonei, svarstančiam padidinti gamybos pajėgumus ar medžiagų įvairovę, suprasti, kas yra granulės, kaip jos spausdinamos ir ką jos siūlo, palyginti su filamentu, nebėra privaloma, o tampa tikru konkurenciniu pranašumu šiuolaikinėje pridėtinės gamybos ekosistemoje.
