Podstawy technologii trójwymiarowego druku (ang. 3D printing) opracowane zostały w 1986 roku przez naukowców z MIT (Massachusetts Institute of Technology). Pierwsze seryjnie produkowane urządzenia pojawiły się w połowie lat 90. XX wieku. Dzisiaj wykorzystuje się przede wszystkim dwie metody przestrzennego drukowania: FDM (Fused Deposition Modeling) oraz 3DP (Three-Dimensional Printing) opracowana przez firmę Z Corporation. Pierwsza z nich sprowadza się do natryskiwania (tak jak ma to miejsce w komputerowych drukarkach atramentowych) warstw płynnego, szybkoschnącego tworzywa sztucznego, druga zaś na warstwowym utwardzaniu specjalnych proszków gipsowych i celulozowych.

Drukowanie metodą FDM

Technologia FDM wykorzystywana jest do wykonywania trójwymiarowego modelu ze sproszkowanego polimeru termoplastycznego - najczęściej jest to ABS lub tworzywo poliwęglanowe. Ten materiał nazywany jest materiałem bazowym i z niego powstaje właściwy model. W technologii FDM do wydruku przedmiotu niezbędne jest jeszcze użycie drugiego materiału podporowego. Zadaniem podpór, jak można się domyślić, jest „przytrzymanie" przestrzennego obiektu podczas druku 3D tak, aby model się nie przewrócił. Najczęściej materiałem podporowym jest inny łatwy do usunięcia plastik lub specjalnie utwardzana skrobia. W pierwszym wypadku po wydrukowaniu przedmiotu elementy podporowe modelu odcina się, w drugim rozpuszcza się je w wodzie. Co ważne, materiał bazowy i podporowy nanoszone są prze oddzielne dysze zamontowane w głowicy drukującej.

Jak już wspomniałem, zasadza działania drukarki 3D wykorzystującej technologię FDM jest zbliżona do sposobu pracy typowej drukarki atramentowej - po prostu głowica drukująca przemieszcza się w płaszczyźnie poziomej i w odpowiednich miejscach nanosi zamiast atramentu, warstwę polimeru. Po zastygnięciu plastiku (nie trwa to zwykle dłużej niż kilka sekund), głowica wraz z całym mechanizmem podnoszona jest minimalnie do góry lub (w zależności od konstrukcji drukarki) obniżany jest stół modelowym, na którym powstaje obiekt, a następnie drukowana jest kolejna warstwa. Cały proces jest powtarzany do chwili ukończenia przygotowywanego modelu.

Modele obiektów wydrukowane metodą FDM mają ścianki o grubość ok. 0,4-0,6 mm zaś grubość nakładanej warstwy to około 0,1 mm. Komora modelująca pozwala drukować obiekty o wielkości nie przekraczającej 30-50 cm. Należy też pamiętać, że wykonane w ten sposób modele są jednokolorowe - mają kolor polimeru bazowego. Oczywiście drukowanie modeli kolorowych przy wykorzystaniu technologii FDM technicznie jest możliwe (maszyna wymaga jedynie zwiększenia liczby dysz dostarczających tworzywa bazowe o innych barwach) niemniej znacząco podniesione zostałyby koszty zarówno druku, jak i samej drukarki 3D - dlatego właśnie w przemyśle nie spotyka się maszyn FDM drukujących kolorowe modele.

Największą zaletą technologii FDM jest to, że wykonane tą techniką prototypy są wytrzymałe i śmiało można poddawać je obróbce mechanicznej (np. toczeniu, frezowaniu, szlifowaniu, wierceniu), powierzchniowej (malowanie, chromowanie), a mniejsze modele kleić ze sobą uzyskując w ten sposób większe elementy projektowanych urządzeń. Mało tego, w ten sposób uzyskane prototypy są w pełni funkcjonalne i doskonale odwzorowują parametry techniczne urządzeń lub ich podzespołów, które docelowo będą produkowane np. metodą wtryskową z tworzyw termoplastycznych (obudowy, przekładnie sprzętu AGD itp.). Metoda FDM pozwala też na wydruk elementów elastycznych

Drukowanie z proszku

Technologia 3DP wykorzystywana jest głównie w drukarkach firmy Z Corporation. Tutaj technologia druku również przypomina tę znaną z drukarek atramentowych tyle, że na przemian warstwo nanosi się spoiwo i specjalny proszek gipsowy lub celulozowy o odpowiednio dobranej granulacji. Spoiwo nanoszone jest przez głowicę drukującą, a proszek przez specjalny zgarniacz. Cykl nanoszenia spoiwa i proszku powtarzany jest na przemian, aż do zakończenia procesu drukowania. Po wydruku należy odczekać około godziny po to, aby do końca zaszły chemiczne procesy wiązania spoiwa, po czym usuwa się niezwiązany proszek i gotowy model można wyjąć z komory drukującej. Niestety, wytrzymałość mechaniczna otrzymanego metodą 3DP modelu nie jest duża i elementy poddaje się dotwardzaniu. Proces ten polega na nasycaniu trójwymiarowego modelu specjalnym lakierem lub płynną, rozcieńczoną żywicą epoksydową.

Co ważne, technologia drukowania proszkowego 3DP pozwala na drukowanie w kolorze - wystarczy drukarkę wyposażyć w zwykłą głowicę atramentową, która nanosić będzie na drukowaną warstwę kolorowy tusz, tak jak na zwykłą kartkę papieru. Dzięki temu prostemu zabiegowi wykonany przestrzenny model jest od razu modelem kolorowym. Stosowane w technologii 3DP głowice drukujące pozwalają na wydruk z dokładnością 600 dpi, co przekłada się na możliwość tworzenia ścianek obiektów o grubości 0,1 mm. Ze względu na mniejszą wytrzymałoś mechaniczną otrzymywanych metodą 3DP modeli, technologię tą wykorzystuje się w badaniach konsumenckich (np. przy projektowaniu opakowań, wzornictwie przemysłowym itp.), do przygotowywania makiet architektonicznych oraz w badaniach związanych z ergonomią produktów.