3D nyomtatás flexibilis anyaggal – 3D nyomtatott gumiszerű tárgyak

3D nyomtatás segítségével ma már nem csupán különböző műanyag tárgyak készíthetőek, a különböző technológiájú gépek határait feszegetve egyre több új, kísérleti anyag jelent meg a piacon.

voronoi iphone case 3D printed with multiple materials © parametric | art

voronoi iphone case 3D printed with multiple materials © parametric | art

A 3D nyomtatók fajtái, legalábbis a gyakorlatban leginkább használt gépek 3 nagy csoportra oszthatók:
1. Az FDM (Fused Deposition Modeling) műanyagolvasztásos technológiáját használja a legtöbb otthoni asztali 3D nyomtató, valamint a Stratasys Mojo és Dimension uPrint (szintén Stratasys) professzionális gépek is, a különböző anyagokkal való kísérletezéshez azonban megfelelőbbek a RepRap típusú gépek, amelyek nyílt rendszerek, így könnyebb változtatni a beállításokon és átkalibrálni a gépet.

2. Az SLS (Selective Laser Sintering) technológiát használó készülékek, mint például a német Eos 3D nyomtatók professzionális, zárt rendszerek, amelyet – a lézerrel történő, pontos és lokális hevítési technológia révén rengeteg hőre olvadó anyagal képesek dolgozni. Ezek a gépek általában nagyszilárdságú poliamidporral, rozsdamentes acélporral, ezüsttel illetve titániummal is képesek nyomtatni, a 3D nyomtatás fémmel azonban elég költséges eljárás, jóllehet bizonyos alkatrészek és szerszámok esetében ez lehet a gazdaságosabb gyártás.

3. A DLP (Digital Light Processing) technológia gyakorlatilag a 80-as évek végén kifejlesztett SLA (Stereolytography) 3D nyomtatási eljárás továbbfejlesztett változata. Itt a készülék folyadék állagú fotopolimer resin-nel dolgozik, amelyet a DLP és SLA eljárások esetében is UV-fénnyel megvilágítva rétegről rétegre szilárdít meg. SLA esetében a fénysugár a rétegeket megrajzolja, a DLP 3D nyomtatók viszont egészben – egy nagy fényerejű és felbontású projector segítségével – világítják le a rétegeket. Ezzel a módszerrel működik több 3D Systems gép, valamint ennek egy továbbfejlesztett változata az

 PolyJet 3D nyomtató technológiája, amely több anyaggal is képes dolgozni. DLP nyomtatót már házilag is összerakhatunk, felkerült a netre egy open-source DLP nyomtató teljes dokumentációja, pár ezer dollárból összerakható a dolog, sajnos a resin a gyenge pont: 1l körülbelül 300 dollárba kerül.

A fenti felsorolásból mindegyik eljárás képes többféle anyaggal is 3D nyomtatni, az SLS gépek gyakorlatilag egyeduralkodók a fémmel történő 3D nyomtatás területén, a fotopolimerek anyagválasztéka pedig szintén nagyon széles skálán mozog. Érthető, hogy korábban a legkevesebb fejlesztést a legolcsóbb technológiába ölték, az otthoni, illetve irodai használatra szánt FDM technológiával működő asztali 3D nyomtatók eddig ABS és PLA kivételével nem tudtak más anyaggal dolgozni.

© parametric | art

© parametric | art

Ennek egyik oka az volt, hogy az otthoni felhasználás területén nem mutatkozott nagy igény különleges, kísérleti anyagokra; míg az ipari felhasználási területeken gyakran van szükség nagyszilárdságú, hőálló, áttetsző, felxibilis illetve fémprototípusokra a termékfejlesztési ciklus során. Szerencsére azonban, az elmúlt néhány évben – mivel az asztali 3D nyomtatók és a 3D nyomtatás árajelentősen lecsökkent – az otthoni, kísérletező kedvű hacker-felhasználók elkezdtek új anyagokkal és beállításokkal próbálkozni. Erre pedig a professzionális, zárt rendszerű FDM gépek nem alkalmasak, hiszen gyakran a különleges anyagok teljesen más nyomtatási paramétereket igényelnek, például más 3D nyomtató fejet, eltérő hőmérsékletet, lassabb 3D nyomtatási sebességet, ezek a paraméterek pedig az open-source gépeken hangolhatók a legfinomabban.Az FDM elven működő 3D nyomtatókkal gyakorlatilag minden olyan anyag használható, amely szálra extrudálható, és egy bizonyos hőmérsékleten (100-300 C között) megolvasztható, majd viszonylag gyorsan, lehűtve megszilárdul. Természetesen a termoplasztikus műanyagok a legmegfelelőbbek erre a célra, a gyakorlatban használt ABS és PLA anyagok viszont – jóllehet a színskála mára meglehetősen kiszélesedett – fizikai tulajdonságaikban majdnem teljesen megegyeznek.

Néhány hónapja azonban számos új, kísérleti anyag is megejelent a piacon, többségük egyelőre még nehezen beszerezhető, mert vagy még csak a Kickstarter-fázisban tart a dolog, vagy a hobbi-gyártó nem képes kielégíteni a hirtelen megnövekedett rendelési igényeket. Szerencsére sikerült elég jó kapcsolatot kialakítani egy holland céggel, ahonnan be tudom szerezni az új tekercseket. A 3D nyomtatáshoz használt PLA szálak egyik legfontosabb tulajdonsága a ridegségük, az anyag kemény, szép a felülete, viszont mindenfajta alakváltozást rosszul visel, egyáltalán nem rugalmas. Nemrég lehetőségem volt azonban nyomtatni a FlexPLA-nak nevezett, modifikált PLA-val, amely a ‘klasszikus’ alapanyaghoz hasonlóan biológiailag lebomlik, ám szilárdsági tulajdonságai a szilikongumihoz hasonlítanak, rugalmas és flexibilis szerkezetek készíthetőek belőle. A 3D nyomtatás lassan kezd olyan lenni, mint a zeneipar és a popszakma: a mainstream mindig az underground-ból lopja az ötleteket, nemsokkal azután, hogy az open-source 3D nyomtató közösségben elterjedt az új, flexibilis anyag, a nagy, 3D nyomtatási szolgáltatást kínáló cégek, mint a Shapeways, a Ponoko vagy az iMaterialise is megjelentek a flexibilis, gumi-szerű anyagok a választható termékpalettán.

3D prints with normal (rigid) PLA on the left and FlexPLA on the right  © parametric | art

3D prints with normal (rigid) PLA on the left and FlexPLA on the right © parametric | art

A FlexPLA egyelőre nagyjából négyszer annyiba kerül, mint a normal bioműanyag, így csak egyetlen tekercset rendeltem próbaként, hiszen mások próbálkozásainak utánanézve, az anyag annyira lágy, hogy a szokásos, műanyagszálas gépek adagolószerkezetébe nem is fűzhető be. Így a már amúgy is átépített MakerBot Replicator 2 asztali 3D nyomtató készülékem újabb műtéten esett át: a FlexPLA-val való 3D nyomtatáshoz 0.3 mm –es nozzle-t és 40 mm/s –es 3D nyomtatási illetve 80 mm/s-es utazási sebességet javasoltak, valamint nagyobb szorítóerőt (erősebb rugót és durvább fogazású fogaskereket) a plunger szerkezetben. Szerencsére, a nozzle kivételével mindegyik alkatrész elkészíthető volt a saját asztali 3D nyomtatómon, így a gép már nem először készíti el a saját alkatrészeit 3D nyomtatással.

Első teszmodellként a korábban már sokszor 3D nyomtatott karkötőt választottam, hiszen viszonylag gyorsan és kevés alapanyag felhasználásával jár a 3D nyomtatása. Ráadásul mindenképpen olyan darabokat szerettem volna elkészíteni, amelyek már megvoltak normál PLA anyagból is, hogy összehasonlíthassam az elkészült darabokat. A gumiszerű anyagból a kis karkötő 3D nyomtatása kétszer annyi ideig tartott, mint a rideg bioműanyagból. Ez a 3D modell alapból úgy volt tervezve, hogy a teljesen rideg anyagból is egy viselhető, a kézre könnyedén felhúzható és illeszkedő kontrukciót alkosson, FlexPLA-ból a karkötő gyakorlatilag elvesztette mindennemű merevségét, hiszen a falvastagsága csupán 0.4 mm, így bármilyen irányba hajtogathatom (akár teljesen ki is fordíthatom) anélkül, hogy elszakadna vagy megnyúlna. Ezzel szemben a normál PLA változat csak a viseléssel járó alakváltozásokat és ebből eredő feszültségeket képes elviselni.

Mivel láthatóan jól működtek a beállítások, elkezdtem kísérletezni, és 230 C-on sikerült a 130mm/s-es sebességig feltornászni a 3D nyomtatás gyorsaságát anélkül, hogy a 3D nyomtatott modell felülete minőségromláson ment volna keresztül. Ezzel a sebességgel már nekiállhattam komplexebb illetve nagyobb geometriák 3D nyomtatásának is, kiváncsi voltam ugyanis, hogy ez az új anyag hogyan vislekedik kisebb és nagyobb nyílások illetve szabadonálló szerkezet 3D nyomtatásakor, valamint hogy támaszanyagként mennyire könnyen lehet eltávolítani a 3D nyomtatott modellről, mi a nyomtatható legkisebb falvastagság merevített és szabadonálló szerkezetek esetében, egyszóval nekiálltam feszegetni az új anyag és a 3D nyomtatóm tecnikai korlátait. Egy korábban már kinyomtatott karkötő volt ismét a kiszemelt préda, ez a model volt az egyik demonstráló darab a fával történő 3D nyomtatásról szóló bejegyzésben, itt azonban szilikonszerű, rugalmas anyagból szerettem volna kinyomtatni, majd összehasonlítani a merev PLA-ból készült változattal. Karkötők esetében különlegesen hasznos lehet a rugalmas anyag, hiszen megkönnyíti a fel- és levételt. Itt már nagyobb sebességgel indult a 3D nyomtatás, és majdnem annyi idő alatt kész volt a különleges anyagból, mint a ‘hagyományos’ változat. Jóllehet mindkét anyag fehér színű, a szokásos PLA fénye nem olyan magas, inkább csontszerű a felülete, míg a flexibilis változat gyönyházszerűen csillog, a vékony falvastagságoknál szinte áttetsző a textúrája.

Mivel a második kisérlet is jól sikerült, és a kisebb nyílások áthidalását a nyúlós anyagból is szépen végezte a 3D nyomtató (természetesen egyedi retraction értékekkel a g-code-ban), így egy olyan modellt választottam következőnek, amely több, vékony és szabadonálló elemet tartalmaz, és már előzőleg kinyomtattam fehér PLA anyagból. A változatosság kedvéért megint egy karkötőről van szó, átlósan felhajló részeinek a legkisebb falvastagsága 1mm körül van, ha ezek képesek beépített és 3D nyomtatott támaszszerkezet nélkül megállni, az azt jelentené, hogy ebből az anyagból gyakorlatilag minen olyan geometria megvalósítható (a gép átállításával), amely a normál, rideg PLA biológiailag lebomló 3D nyomtatható műanyagból. Itt még magasabbra vettem a sebességet, 180 mm/s-re állítva az extruder fejet is sikeres volt a 3D nyomtatás: jóllehet, a szálat nagyon vékonyan behúzta a rudak közé, az eredmény mégis az eredetivel megegyező geometria, ami azonban teljesen összenyomható, és utána képes visszanyerni eredeti alalkját.

Végül, de nem utolsó sorban, szerettem volna kipróbálni, lehet-e ebből az anyagból is támaszanyaggal nyomtatni, és hogy a 3D nyomtatott modellről le lehet-e szedni a flexibilis támaszt. A karkötőknél maradva egy igazán komplex és gyönyörű darabra esett a választás, a Nervous Systems generatív rendszerével tervezett model – a geometriájából adódóan – csak támaszanyaggal készíthető el, viszont az eredmény megéri a több órán át tartó utómunkát. Ezt a modellt egy korábbi bejegyzésben már említettem, akkor a generatív 3D nyomtatott ékszerek kapcsán. Itt a felbontást a legjobbra állítottam, így egy réteg vastagsága 0.07 mm, ami jelentősen megnöveli a 3D nyomtatás idejét, azonban a model minősége is szebb lesz ezáltal. Ilyen beállítások mellett, támaszanyag hozzáadásával majdnem 8 órába telt a modell 3D nyomtatása. Ahhoz, hogy össze tudjam hasonlítani a hagyományos, kemény PLA-val készült társával, el kellett távolítani a támaszanyagot. Ha tárgyilagos szeretnék maradni, azt mondanám, hogy a FlexPLA-val nyomtatott támaszokat egy kicsit nehezebb eltávolítani, mint a merev PLA-val készülteket. Őszintén szólva a hagyományos PLA-ról is egy rémálom leszedni a support-ot úgy, hogy szép maradjon a felület, általában ez több órás csiszolást és faragást jelent. Ez a flexibilis anyag pedig sokkal nehezebben faragható és csiszolható, így – bár azért megszenvedtem vele – de önszántamból soha többet nem fogok FlexPLA-val mint támaszanyagal 3D nyomtatást vállalni, szerintem nem is lenne emebr, aki kifizetné a több órás utókezelést. A borzalmas munkának azért megvolt az eredménye, a fenti képeken láthatjátok a merev és flexibilis változatot. A flexibilis változat hatalmas előnye, hogy nem kell feltétlenül átférnie a kör keresztmetszeten a kéznek a felvételkor.

Ez a flexibilis viselkedés tömítéseknél, illetve precízen illeszkedő megoldásoknál lehet még különösen hasznos, így megpróbáltam egy általam tervezett telefontokot a flexibilis anyagból 3D nyomtatással kipróbálni. Egy darabig, nagyjából a 3D nyomtatási folyamat feléig nem is volt probléma, amikor az oldalfalakat kezdte nyomtatni a gép, az aljától fogva fokozatosan feljött a modell az építőlemezről. Először csak a szélek mentén, majd már csak középen tartotta egy kis rész; mivel a 3D nyomtató fej nagyon pontosan mozgott, mindig rányomtatott az alatta lévő részre, amely ezáltal eldeformálódott. A kész 3D nyomtatott prorotípuson látszik, hogy a szélek mellett sokkal vékonyabb lett a tok, így sajnos használhatatlan volt. Sajnos ez a kísérlet sikertelen volt, pedig a FlexPLA egyik legjobb alkalmazási területe a telefontokok készítése lehetne.

Valamit ki kellett találnom, hogy az első, 100 mikron vastag réteg megtapadjon az építőlemezen. Mindig le szoktam tisztítani acetonnal, enélkül a normál PLA sem tapadna meg. Az elején itt sem volt probléma, viszont ahogy a kihűlés során az anyagban elkezdtek dolgozni a hőtágulásból eredő feszültségek, nagy és sík felületeknél vékony keresztmetszet esetében, mint amilyen ennek a telefontoknak a hátlapja is, az anyag elenged. Nekem pedig engednem kellett a teljes egészében FlexPLA-ból készülő konstrukcióból, ha azt szerettem volna, hogy kivitelezhető legyen a modell. A gumiszerű szerkezetnek igazából a keret mentén van szerepe, mivel így jobban illeszkedik a tok a telefonhoz, és esetleges mechanikai hatás esetén is elnyeli a rezgéseket. Valamint jó lenne, ha megoldható lenne, hogy a belső oldalon mindenhol a puha, gumiszerű borítása legyen a toknak, védve ezzel a karcoktól a fényes hátlapot. Megpróbáltam az első 0.4 mm-t (4 réteg az .stl fájlban) normál PLA-val (konkrétan fényáteresztő kék színű anyagból) elkészíteni, majd a 3D nyomtatást szüneteltetve anyagot cseréltem a 3D nyomtatóban (némi átállítás után), és innentől már felfelé mindent FlexPLA anyagból nyomtatott a gép, vagyis a telefontok hátlapja az alsó keményebb rétegektől elég merev volt, hogy ne hajoljon fel nyomtatás közben, a belseje és az oldalfalai viszont rugalmasak, ouhák és hajlékonyak a funkciónak megfelelően.  A képeken látszik, milyen szép lett az eredmény.

A következő napokban tovább fogok kísérletezni ezzel a különleges anyaggal, ezek a telefontokok annyira jól sikerültek, hogy szeretném továbbfejleszteni. A többféle anyagból történő 3D nyomtatás egészen új lehetőségeket jelent, olyan megoldások is születhetnek, amelyek más gyártűsi eljárással nem lennének lehetségesek. Egy későbbi bejegyzésben részletesen beszámolok majd az eredményekről, kedvcsinálónak itt egy kép egy egyedi tervezésű iPhone tokról, amely szintén a fent bemutatott, laminált 3D nyomtatási eljárásnak köszönhetően 2 különböző keménységű és 4 különböző színű biológiailag lebomló PLA műanyagból (politejsav) készült. Továbbá kilátásban vannak további anyagkísérletek, néhány hete megjelent ugyanis a Laybrick nevű filament, amely kpvel történő 3D nyomtatást tesz lehetővé hasonlóan, ahogyan az a 3D nyomtatás fával esetében is működik. A részletekről hamarosan.

voronoi iphone case 3D printed with multiple materials © parametric | art

voronoi iphone case 3D printed with multiple materials © parametric | art

Reklámok

About bonooobong

parametric | architecture

4 comments

  1. Visszajelzés: 3D printing with flexible materials – FlexPLA tests | algorithmicart

  2. DYBI

    Ezzel meg már a fejhallgató (amit még 3-4 hete Instagramra posztoltál) is nyomtathatóvá ÉS használhatóvá válik, maga a mágnesnek a háza régiből (gazdaságosság miatt, hiszen oda úgyse kell rugalmasság), míg a pánt rész meg rugalmasból… 🙂

  3. Visszajelzés: 3D nyomtatáshoz használt műanyagszálak | 3dfizz

Vélemény, hozzászólás?

Adatok megadása vagy bejelentkezés valamelyik ikonnal:

WordPress.com Logo

Hozzászólhat a WordPress.com felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Twitter kép

Hozzászólhat a Twitter felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Facebook kép

Hozzászólhat a Facebook felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Google+ kép

Hozzászólhat a Google+ felhasználói fiók használatával. Kilépés / Módosítás )

Kapcsolódás: %s

%d blogger ezt kedveli: