Technologie druku 3D: FDM, SLA, SLS - porównanie i zastosowania

Wprowadzenie do technologii druku 3D

Druk 3D to nie jedna, ale wiele różnych technologii, z których każda ma swoje unikalne właściwości, zalety i zastosowania. Wybór odpowiedniej metody zależy od wymagań projektu: precyzji, materiału, wytrzymałości, kosztów i ilości produkowanych części. W tym artykule szczegółowo porównamy trzy najpopularniejsze technologie: FDM, SLA i SLS.

FDM - Fused Deposition Modeling

Jak działa technologia FDM?

FDM (Fused Deposition Modeling), zwane również FFF (Fused Filament Fabrication), to najpopularniejsza technologia druku 3D. Proces polega na wytłaczaniu stopionego tworzywa termoplastycznego (filamentu) na stół drukarki 3D, warstwa po warstwie. Materiał jest podawany z szpuli przez ekstruder, gdzie jest podgrzewany do temperatury topnienia i precyzyjnie nakładany zgodnie z zaprogramowanym wzorem.

Właściwości technologii FDM:

• Rozdzielczość: 50-400 mikronów (typowo 100-200 µm)
• Dokładność wymiarowa: ±0.5% (min. ±0.5 mm)
• Obszar druku: Od 12x12x12 cm do 40x40x40 cm (drukarki domowe)
• Prędkość: Średnia (2-10 cm³/h)
• Koszt drukarki: 900-15000 zł

Materiały FDM:

• PLA, ABS, PETG, ASA (podstawowe)
• TPU, TPE (elastyczne)
• Nylon, PC (wytrzymałe)
• Kompozyty (włókno węglowe, drewno, metal)
• Materiały rozpuszczalne (PVA, HIPS) do podpór
• Materiały specjalne (przewodzące, świecące, magnetyczne)

Zalety FDM:

• Najniższe koszty sprzętu i materiałów
• Szeroki wybór materiałów i kolorów
• Łatwe w obsłudze i konserwacji
• Bezpieczne w użyciu domowym
• Wytrzymałe, funkcjonalne części
• Możliwość druku dużych obiektów
• Minimalne odpady materiału

Wady FDM:

• Widoczne warstwy - gorsza jakość powierzchni
• Niższa precyzja niż SLA/SLS
• Anizotropia - różna wytrzymałość w różnych kierunkach
• Wymagane podpory dla nawisów
• Może występować warping
• Ograniczona rozdzielczość detali

Najlepsze zastosowania FDM:

• Prototypowanie funkcjonalne
• Części mechaniczne i konstrukcyjne
• Oprzyrządowanie i narzędzia
• Figurki i modele (gdy nie wymaga się idealnej gładkości)
• Obudowy i etui
• Pomoce edukacyjne
• Produkcja małoseryjna

SLA - Stereolithography

Jak działa technologia SLA?

SLA (Stereolithography) to najstarsza technologia druku 3D, opracowana w 1984 roku przez Charlesa Hulla. Żywica fotoutwardzalna w postaci ciekłej jest poddawana działaniu wiązki laserowej lub cyfrowego projektora światła DLP/LCD, która selektywnie utwardza materiał warstwa po warstwie. Po zakończeniu druku model wymaga czyszczenia w alkoholu izopropylowym i doświetlenia w komorze UV.

Właściwości technologii SLA:

• Rozdzielczość: 25-100 mikronów
• Dokładność wymiarowa: ±0.1-0.2%
• Obszar druku: Zwykle 10x10x15 cm do 30x30x40 cm
• Prędkość: Średnia do szybkiej (zależy od technologii: laser vs DLP/LCD)
• Koszt drukarki: 2000-50000 zł

Materiały SLA:

• Żywice standardowe (przezroczyste, kolorowe)
• Żywice inżynieryjne (ABS-like, PP-like)
• Żywice elastyczne (gumopodobne)
• Żywice dentystyczne i medyczne
• Żywice odlewnicze (castable)
• Żywice ceramiczne
• Żywice wysokotemperaturowe

Zalety SLA:

• Najwyższa precyzja i rozdzielczość
• Doskonała jakość powierzchni - gładkie, bez widocznych warstw
• Możliwość tworzenia skomplikowanych geometrii z drobnymi detalami
• Izotropowe właściwości (jednakowa wytrzymałość we wszystkich kierunkach)
• Idealne do prototypów wizualnych
• Przezroczyste materiały dostępne

Wady SLA:

• Wyższe koszty materiałów
• Proces post-processingu czasochłonny (mycie, utwardzanie)
• Żywice są toksyczne przed utwardzeniem
• Materiały mniej wytrzymałe i bardziej kruche niż termoplasty
• Wrażliwość na UV - żółkną w słońcu
• Ograniczona żywotność żywicy w naczyniu (może stwardnieć)
• Mniejszy obszar druku

Najlepsze zastosowania SLA:

• Prototypy wizualne wysokiej jakości
• Biżuteria (formy odlewnicze)
• Stomatologia (protezy, korony, szyny)
• Medycyna (modele anatomiczne, chirurgia planowa)
• Figurki miniaturowe (detale)
• Mikrofluidyka i mikromechanika
• Formy silikonowe

SLS - Selective Laser Sintering

Jak działa technologia SLS?

SLS (Selective Laser Sintering) to technologia przemysłowa wykorzystująca laser do spiekania sproszkowanego materiału (najczęściej poliamidu PA12). Drukarka 3D pracuje w komorze wypełnionej proszkiem, który jest podgrzewany tuż poniżej temperatury topnienia. Laser spieka materiał punkt po punkcie, warstwa po warstwie. Kluczowa zaleta: nieutwardzony proszek otaczający model stanowi naturalne podpory, więc nie trzeba generować dodatkowych struktur wspierających.

Właściwości technologii SLS:

• Rozdzielczość: 80-150 mikronów
• Dokładność wymiarowa: ±0.3%
• Obszar druku: Do 35x35x60 cm (drukarki przemysłowe większe)
• Prędkość: Szybka (możliwość druku piętrowego)
• Koszt drukarki: 150000-500000+ zł

Materiały SLS:

• PA12 (Nylon 12) - najpopularniejszy
• PA11 (Nylon 11)
• TPU (elastomer)
• PP (polipropylen)
• Kompozyty (PA z włóknem szklanym, aluminium)

Zalety SLS:

• Nie wymaga podpór - proszek stanowi wsparcie
• Wysoka wytrzymałość i funkcjonalność części
• Doskonałe właściwości mechaniczne
• Możliwość druku złożonych geometrii (kanały wewnętrzne, przestrzenie zamknięte)
• Druk piętrowy - maksymalne wykorzystanie przestrzeni
• Nadaje się do produkcji seryjnej małych i średnich serii
• Odporność chemiczna i termiczna

Wady SLS:

• Bardzo wysokie koszty sprzętu
• Drogie materiały
• Powierzchnia ziarnista, szorstka
• Wymaga specjalnych warunków (kontrola temperatury, wentylacja)
• Nieużyty proszek można częściowo ponownie wykorzystać, ale traci właściwości
• Post-processing: odpylanie, piaskowanie, impregnacja
• Ograniczona paleta kolorów (głównie biały, szary, czarny)

Najlepsze zastosowania SLS:

• Części funkcjonalne i produkcyjne
• Małe i średnie serie produkcyjne
• Komponenty mechaniczne narażone na obciążenia
• Przemysł motoryzacyjny i lotniczy
• Obudowy i osłony
• Narzędzia i oprzyrządowanie
• Części o złożonej geometrii wewnętrznej

Porównanie bezpośrednie - tabela

Inne technologie druku 3D

DLP/LCD (Digital Light Processing)

Wariant SLA wykorzystujący projektor zamiast lasera - całą warstwę utwardza jednocześnie. Szybsza niż laser SLA, popularna w drukarkach żywicznych budżetowych.

MJF (Multi Jet Fusion)

Technologia HP - podobna do SLS, ale używa atramentów i lamp podczerwonych zamiast lasera. Szybsza i dokładniejsza od SLS.

PolyJet

Technologia Stratasys - rozpyla kropelki żywicy fotopolimerowej i natychmiast je utwardza UV. Możliwość wielomateriałowego druku i pełnego koloru.

Binder Jetting

Głowica inkjet aplikuje klej na warstwę proszku (metal, piasek, ceramika). Po wydruku części metalowe są spiekane w piecu.

DMLS/SLM (Direct Metal Laser Sintering/Melting)

Technologie druku metalu - laser topi proszek metalowy (tytan, aluminium, stal, złoto). Przemysłowe zastosowania: aerospace, medycyna.

Jak wybrać technologię?

Wybierz FDM jeśli:

• Masz ograniczony budżet
• Potrzebujesz wytrzymałych, funkcjonalnych części
• Drukujesz duże obiekty
• Jakość powierzchni jest drugorzędna
• Chcesz mieć drukarkę w domu

Wybierz SLA jeśli:

• Potrzebujesz najwyższej precyzji i detali
• Jakość powierzchni jest kluczowa
• Drukujesz biżuterię lub aplikacje dentystyczne
• Obiekty są małe lub średnie
• Akceptujesz proces post-processingu

Wybierz SLS jeśli:

• Potrzebujesz produkcji funkcjonalnych, wytrzymałych części
• Geometria jest bardzo złożona (bez podpór)
• Drukujesz serie produkcyjne
• Masz budżet przemysłowy
• Wymagane są certyfikowane materiały

Przyszłość technologii druku 3D

Przemysł druku 3D dynamicznie się rozwija. Nowości to szybsze drukarki FDM z automatyczną kalibracją, tańsze drukarki SLA z większymi obszarami roboczymi, nowe materiały o lepszych właściwościach oraz integracja AI do optymalizacji procesu drukowania. Biodruk (druk tkanek) i druk metalu stają się coraz bardziej dostępne.

Technologie hybrydowe łączące zalety różnych metod oraz rozwój materiałów kompozytowych otwierają nowe możliwości w medycynie, lotnictwie, motoryzacji i budownictwie.