Drukarki 3D typu FDM/FFF – co dalej…?

W poprzednim artykule opisałem historyczny cykl rozwoju drukarek 3D pracujących w technologii FDM / FFF – począwszy od Stratasys, RepRap Project i MakerBot, po ostatnie, rewolucyjne innowacje wprowadzone przez rosnącą gwiazdę branży – Bambu Lab. Prezentując kolejne kamienie milowe osiągane przez drukarki 3D, każdorazowo podkreślałem, że dana innowacja – choć ekscytująca na czas jej wprowadzenia, po kilku latach była przyćmiewana przez kolejną, wynoszącą cały segment technologiczny na jeszcze wyższy poziom.

Sukces Bambu Lab jest w dużej mierze oparty na czterech fundamentach:

  1. superszybkiej produkcji części
  2. wyższej niż u konkurencji jakości wydrukowanych części
  3. płynnym przepływie pracy zdalnej dzięki doskonałym rozwiązaniom chmurowym
  4. relatywnie niskiej cenie urządzenia – biorąc pod uwagę wszystkie wyżej wymienione cechy i usprawnienia.

Bazując na danych historycznych (MakerBot, Zortrax, Ultimaker, Prusa) i aktualnym sukcesie Bambu Lab, możemy zatem stwierdzić, że aby odnieść „rewolucyjny sukces” rynkowy, należy stworzyć urządzenie które w stosunku do konkurencji będzie:

  1. szybsze
  2. zapewniało lepszą jakość części
  3. łatwiejsze w obsłudze
  4. tańsze.

Naturalne pytanie jakie rodzi się w takiej chwili brzmi: co zatem można jeszcze zrobić, aby osiągnąć powyższe parametry? Co będzie kolejną zmienną, która usprawni desktopowy druk 3D w technologii FDM / FFF i wyniesie go na jeszcze wyższy poziom? No więc przychodzą mi na myśl dwie rzeczy… Jedna to dość oczywiste rozwiązanie, które nie będzie w żaden sposób krytyczne, ale będzie stanowiło naturalny upgrade. Za to druga – jeżeli uda się je odpowiednio zaprojektować i wdrożyć – będzie stanowiło istną rewolucję i otworzy zupełnie nowy rozdział w historii tej technologii.

Serwonapędy zamiast silników krokowych

Z punktu widzenia mechatronicznego, drukarki 3D typu FDM / FFF to bardzo proste – żeby nie powiedzieć „prymitywne” urządzenia. Mam tu na myśli oczywiście urządzenia klasy amatorskiej i niższej klasy desktopowej – maszyny klasy przemysłowej, wyposażone w szczelnie zamknięte i podgrzewane komory robocze oraz wyrafinowane systemy napędowe i drukujące, są już dużo bardziej skomplikowane. Urządzenia amatorskie i desktopowe to po prostu „plotery tnące lub drukujące”, którym dodano ruch w osi Z i specyficzny sposób dostarczania materiału termoplastycznego. Cała „magia” tych drukarek 3D tkwi w oprogramowaniu, które najpierw tnie model 3D na warstwy, potem generuje ruch głowicy drukującej w osiach XYZ przy okazji uwzględniając całą masę dodatkowych parametrów (generowaniu struktur podporowych, wypełnianie cienkich ścianek etc.).

Jednakże mechanicznie drukarki 3D tego typu są banalne. Nic dziwnego, że początkowo budowano je zupełnie samodzielnie na podstawie dość surowej dokumentacji technicznej, ściąganej z internetu (vide RepRap Project)…

Jako że znakomita większość drukarek 3D typu FDM / FFF ma relatywnie małe obszary robocze (20-30 cm w osiach XYZ) i osiągane przez nie prędkości nigdy nie były imponujące (ograniczeniem zawsze był filament – sposób jego tłoczenia oraz konieczność wystudzenia po nałożeniu aby kolejne warstwy się nie „rozlewały” jedna na drugiej), do poruszania drukarką 3D zawsze wystarczały silniki krokowe. Silniki krokowe są tanie, a ich obsługa z poziomu software i firmware jest relatywnie prosta.

Nie zmienia to faktu że mają całą masę oczywistych wad względem serwonapędów, które są domeną wysokowydajnych maszyn przemysłowych:

  • silniki krokowe mają ograniczoną „rozdzielczość” wyrażoną w liczbie kroków na obrót; serwonapędy używają enkoderów do zapewnienia znacznie wyższej precyzji i rozdzielczości
  • silniki krokowe tracą moment obrotowy przy wyższych prędkościach, podczas gdy serwonapędy mogą utrzymywać stały moment obrotowy na szerokim zakresie prędkości
  • serwonapędy mają wbudowane sprzężenie zwrotne, które pozwala na precyzyjną kontrolę pozycji i prędkości, podczas gdy silniki krokowe działają bez sprzężenia zwrotnego, co oznacza, że mogą stracić kroki lub przesunąć się z pozycji, powodując „przeskoki” na warstwie wydruków
  • silniki krokowe zużywają energię nawet wtedy, gdy nie wykonują ruchu, ponieważ muszą utrzymywać stałe pole magnetyczne, z kolei serwonapędy są bardziej energooszczędne, ponieważ zużywają energię tylko wtedy, gdy jest to potrzebne do utrzymania lub zmiany pozycji.

Niestety systemy oparte na serwonapędach są dużo bardziej skomplikowane w projektowaniu i implementacji, ze względu na konieczność używania bardziej zaawansowanych kontrolerów i algorytmów do zarządzania sprzężeniem zwrotnym i pozycjonowaniem. Sterowanie ruchem przy użyciu silników krokowych jest w porównaniu z nimi „banalne”. To wszystko przekłada się również na koszty projektowania i produkcji – w branży gdzie jak najniższa cena jest jednym z fundamentów osiągnięcia sukcesu rynkowego, wejście w zupełnie nową logikę projektowania software i firmware, jak również implementację droższych rozwiązań w finalne urządzenie, wiąże się z dużym ryzykiem. Którego większość firm po prostu nie chce ponosić…

Niemniej jednak, aby jeszcze bardziej przyspieszyć pracę drukarki 3D przy równoczesnym zwiększeniu jakości jej pracy, przejście na serwonapędy na poziomie amatorskim czy desktopowym jest tylko kwestią czasu.

Co nie zmienia faktu, że nie byłaby to jakaś rewolucja, ile „ciekawy upgrade”. Ponieważ na koniec dnia, aktualnie „Świętym Graalem” druku 3D FDM / FFF jest coś zgoła innego…

Przejście z filamentów na granulat

Zacznijmy od tego, że z punktu widzenia mechatronicznego, druk 3D z tworzyw sztucznych w formie filamentu ma całą masę korzyści. Sterowanie jego przepływem jest banalnie proste – filament jest albo tłoczony „w dół”, albo cofany (retrakcja). Ta druga rzecz jest bardzo ważna, ponieważ w trakcie pracy drukarka 3D wykonuje całą masę ruchów jałowych, podczas których nie tłoczony materiał wypływałby z głowicy. Aby temu zapobiec jest cofany i tłoczony ponownie gdy drukarka 3D wznawia druk (cały ten proces potrafi trwać ułamki sekund).

Kolejna zaleta to to, że system tłoczenia (ekstruder) jest bardzo prosty i lekki. W zależności od typu, może być instalowany bezpośrednio nad głowicą drukującą, albo na obudowie urządzenia (Bowden) co czyni głowicę lżejszą i szybszą w poruszaniu. Jego prostota sprawia, że jakakolwiek akcja serwisowa może być wykonana przez laika i nie są do niej wymagane żadne specjalistyczne narzędzia lub wiedza. Ogranicza też koszty produkcji, co pozwala na obniżanie ceny całego urządzenia.

Niestety to wszystko co oszczędzamy w kwestii drukarki 3D, oddajemy w cenie filamentu. Aktualnie szpula o wadze 1kg dobrej jakości popularnego materiału PLA, ABS, PETG kosztuje 20-30 USD / EUR. Filament powstaje z granulatu, który jest odpowiednio domieszkowany (barwniki, plastyfikatory), aby dobrze płynąć przez głowicę drukującą i łączyć się ze sobą na kolejnych warstwach. Dobrej klasy, szybka i wydajna linia do produkcji filamentu jest droga (tanie chińskie odpowiedniki są po prostu wolne). Do tego trzeba dodać szpulę (chociaż od pewnego czasu coraz większą popularnością zaczynają się cieszyć „zwoje” i szpule wielokrotnego użytku – refill), opakowanie foliowe z pochłaniaczem wilgoci (filamenty są higroskopijne!) i pudełko.

Wbrew temu co może się powszechnie wydawać, produkcja filamentu jest bardzo wymagająca i trudna. Osobiście znam szereg historii doświadczonych firm z sektora przetwórstwa tworzyw sztucznych, które myślały że to prosty temat i poniosły na tym polu spektakularną klęskę. Produkcja filamentu wysokiej jakości i klasy to prawdziwa sztuka – jeżeli próbuje się coś oszukać lub pójść na skróty podczas produkcji – to zawsze wyjdzie na poziomie drukarki 3D.

Zatem produkcja filementu jest droga i jego koszt musi być relatywnie wysoki. Jakiś czas temu Gabe Bentz ze Slant3D ogłosił swój manifest na rzecz tanich filamentów – i chociaż co do zasady się z nim zgadzam, na dłuższą metę obniżanie cen nie jest najlepszym rozwiązaniem, ponieważ koniec końców efektem tego będzie spadająca jakość.

Rozwiązaniem jest w ogóle odejście od filamentów na rzecz materiału surowego – czyli granulatu. Sęk w tym, że stworzenie dobrego i wydajnego systemu opartego na granulat nie jest ani łatwe ani tanie. Na rynku funkcjonuje szereg systemów do druku 3D korzystającego z takich systemów, ale wszystkie są:

  • klasy przemysłowej
  • drogie.

Co nie zmienia faktu, że firma która jaka pierwsza zaprezentuje takie rozwiązanie na poziomie drukarki 3D klasy desktopowej (czyli Bambu Lab P1P, UltiMaker S5, Prusa XL etc.), zdetronizuje z miejsca całą konkurencję. Koszty eksploatacyjne runą w dół i w dłuższej perspektywie czasu nawet wyższy koszt drukarki 3D zostanie zrekompensowany niskim kosztem materiałów.

Druk 3D z granulatu – dalsze implikacje

Łatwiej napisać niż zrobić… Stworzenie drukarki 3D opartej o granulat w klasie desktopowej to aktualnie duże wyzwanie natury konstrukcyjnej, gdzie kluczowym czynnikiem będzie utrzymanie jak najniższej ceny SRP (czyli poniżej ~2000 USD / EUR). Szczerze? Nawet nie wiem czy jest to możliwe? Tzn. na pewno jest – bardziej chodzi mi o to, czy jest możliwe produkowanie i sprzedawanie takich drukarek 3D w takich cenach i osiągnięcie sensownej marży i zyskowności? Zamiast typowego dla druku 3D scenariusza – „jedziemy za pieniądze inwestorów, a jak przyjdzie skala to się zobaczy”?

No ale gdyby to się jednak udało zrobić, to rynek filamentów skończy się po 2-3 latach. Chociaż granulat używany w technologii formowania wtryskowego w dalszym ciągu trzeba będzie modyfikować pod druk 3D (ten sam granulat nie nadaje się 1:1 do wtrysku i druku 3D), rynek zostanie z miejsca przejęty przez firmy, które się w tej chwili w nim specjalizują. Tak naprawdę jedyną nadzieją dla branży filamentów jest to, aby żadnemu producentowi drukarek 3D nie udało się dokonać tej zmiany konstrukcyjnej.

Przejście na druk 3D z granulatu jeszcze bardziej zwiększy prędkość druku 3D i przepustowość drukarek 3D. Pozwoli na zwiększenie obszarów roboczych. Obniży koszty produkcji części. Równoczesne wdrożenie serwo motorów zacznie robić się bardziej uzasadnione.

Pytanie czy ktokolwiek podejmie rękawicę i czy uda mu się to osiągnąć? Prawda jest taka, że w 2021 roku nikt nie przypuszczał, że to co zrobi Bambu Lab jest w ogóle możliwe? Ale jednak stało się. Więc…?

Pierwotnie opublikowano na: www.linkedin.com

Scroll to Top