Filamentskriver

En filamentskriver er en type 3D-skriver som smelter et termoplast-materiale fra et filament (en «tråd») til et arbeidsstykke med ønsket form. Filamentet mates fra en spole til en flyttbar ekstruder med smelter, og avsetter det på en byggeplate hvor det kjøler seg ned og stivner.

Plastfilament (a) føres gjennom et oppvarmet bevegelig hode (b) som smelter, ekstruderer og avsetter plast, lag for lag, til ønsket form (c). En bevegelig plattform (e) senkes etter hvert lag er avsatt. Ved store overheng er det nødvendig med vertikale støttestrukturer (d) som tas av etter utskrift.

Skrivehodet styres med numerisk kontroll, og delen som lages fremstilles additivt.^[1] Det finnes mange ulike typer bevegelsesmønstre, kalt kinematikk, for eksempel CoreXY. Vanligvis beveger skrivehodet seg i to dimensjoner i bordplanet (xy-planet) for å avsette ett lag om gangen. Deretter flyttes enten platen med arbeidsstykket nedover eller skrivehodet oppover litt (langs z-aksen) for å skrive et nytt lag.

Historie

Smelting av filament til 3D-skriving ble utviklet i 1988 av Steven Scott Crump, medgründer av Stratasys.

I 2009 gikk patentet ut^[2] slik at andre kunne bruke denne typen teknologi uten å betale Stratasys. Filamentskrivere ble tatt i bruk i RepRap-prosjektet og ble dermed tilgjengelig som åpen maskinvare for utviklere som ville gjøre det selv. Dette har ført til et stort prisfall på teknologien,^[3] og bruk av svært mange kommersielle aktører.

I 2010 og 2020-årene har filamentskrivere vært den mest populære prosessen for 3D-utskrift til hobbybruk. ^[4] Andre teknikker som stereolitografi og lasersintring kan gi bedre resultater, men er mye mer kostbare.

• 
  RepRap versjon 2.0 (Mendel), en fri og åpen filamentskriver
• 
  Prusa i3, en av verdens mest solgte filamentskrivere

Deler

Illustrasjon av en direktedrevet ekstruder og dens deler

Ekstruderen har en varm ende og en kald ende. Den kalde enden trekker materiale fra spolen ved hjelp av en stegmotor, og kontrollerer matehastigheten til råstoffet som skyves inn i den varme enden.

Den varme enden består av et varmekammer og en dyse. I varmekammeret smeltes råstoffet slik at det blir flytende, og så blir det presset gjennom en dyse som slik at det kommer ut en tynn, klebrig strek av plast som fester seg til materialet den legges på.

Dysen har vanligvis en diameter på mellom 0,3 mm og 1,0 mm. Messingdyser er brukbare for myk plast som PLA, mens herdet ståldyse er nødvendig for tøffere materialer eller plast med tilsetninger (for eksemplel PLA tilsatt tre eller karbonfiber). Det finnes mange ulike typer dyser, og ikke alle festes på samme måte. De mest brukte dysene er V6-dysene og MK8-dysene, som begge har standard M6×1 metriske gjenger. Bytte av dyse^[5] må gjøres mens den er varm for å unngå plastlekkasjer.

Materialer

Et bredt utvalg materialer kan ekstruderes. Det vanligste er termoplaster som polymelkesyre (PLA), polyetylentereftalatglykol (PETG), akrylstyren-akrylat (ASA), akrylnitril-butadien-styren (ABS), polykarbonat (PC), polyetylentereftalat (PET), slagfast polystyren (HIPS), polyamid (PA), polystyren (PS), lignin, gummi, termoplastisk polyuretan (TPU) og alifatiske polyamider (nylon). I tillegg til termoplaster kan det også skrives ut en del andre materialer som komposittmaterialer, leire, matpasta eller biologiske pastaer.

Omgivelsestemperatur

De fleste skrivere er utviklet for fungere optimalt i romtemperatur (omtrent 18–25 °C) og helst med så lav luftfuktighet som mulig, og under utskrift er det viktig at temperaturen og fuktigheten holder seg stabil og at man unngår trekk for at plasten ikke skal vri seg.

Noen plasttyper krever oppvarmet kammer. For eksempel bør PLA skrives i romtemperatur (18-25 celsius), mens ABS bør ha en jevn kammertemperatur på rundt 60-70 celsius.^[6] Dersom skriveren skal plasseres i et kammer er det viktig at elektronikken har aktiv kjøling for å minske brannfaren.

Helse og trygghet

Bruk av filamentskrivere kan ha negative effekter på helse og trygghet på grunn av støv og skadelige avgasser, men det er publisert lite forskning.^[7][8] 3D-skrivere har blitt populære i bedrifter,^[9] utdanningsinstitusjoner^[9] og biblioteker. Barn kan være mer utsatt for skader, men det meste av forskning er gjort på voksne.^[7] Studier har anbefalt at skoler og skaperverksteder vurderer ventilasjon, måling av luftkvalitet og tekniske kontrolltiltak for å redusere innendørs eksponering.

VOC og svevestøv

Filamentskrivere er en stor kilde til flyktige organiske forbindelser (VOC, stoffer som lett løses opp i luften) og svevestøv (PM, partikler som blir svevende lenge i luften).^[10][11] 3D-skrivere slipper ut ultrafine partikler (i størrelsesorden 1 til 100 nanometer), og forskning har vist at disse er små nok til at de kan feste seg dypt i åndedrettssystemet og være vanskelige for kroppen å kvitte seg med.^[7]

En studie målte over 400 forskjellige typer VOC-er, hvorav flere var irritanter,^[8] sensibiliserende^[8] (første steget i en allergisk reaksjon), astmafremkallende^[8] (årsak til utvikling av astma), avgir lukt,^[8] er kreftfremkallende^[8] (fremmer utvikling av kreft), utviklingstoksiske^[8] (skader utvikling) og reproduksjonstoksiske^[8] (forstyrrer reproduksjon), hvilket kan forårsake inflammasjon, luftveissykdommer, nevrotoksisitet og kreft.^[8]

Noen spesifikke VOC-er som har blitt målt fra 3D-utskrift inkluderer laktid,^[8] styren,^[8] etylbenzen,^[8] formaldehyd,^[8] acetaldehyd,^[8] nonanal,^[8] tetrahydrofuran,^[8] cyklohexanon,^[8] butanon,^[8] krotonaldehyd,^[8] akrylsyre,^[8] hydroksyetylakrylat^[8] og metylmetakrylat.^[8]

Forebyggende tiltak

Stedet man skriver ut bør være godt ventilert, noe som kan være vanskelig siden en god utskrift ofte avhenger av jevn romtemperatur og minst mulig trekk. Måling av luftkvalitet kan gjøres med en luftkvalitetsmåler som kan detektere VOC-gasser og svevestøv. Skrivere bør ikke plasseres i oppholdsrom, men i stedet på andre steder folk ikke oppholder seg mye, som for eksempel i en oppvarmet garasje, kjeller eller loft. Mengden støv i utskriftsmiljøet bør også begrenses,^[12] for eksempel ved å støvsuge oftere.

Noen plasserer skriveren i et kabinett med avtrekk gjennom HEPA-filter eller aktivt kull,^[12] men disse filtrene tar ikke unna alle partiklene og avgassene. Avtrekk ut i fri luft kan være gunstig.

Lavere temperatur i smelteren kan gi mindre avgasser,^[12] men kan også resultere i dårligere kvalitet på utskriften. Man kan velge materialer som er mindre skadelige, for eksempel har PLA rykte på seg for å være tryggere enn ABS^[12] (men avgir fremdeles skadelige stoffer).

Se også

• 3D-skriverkabinett, innkapsling som kan gi bedre kontroll av miljøet rundt en 3D-skriver
• Bærekraftig utvikling, utviklingsmåte som møter dagens behov uten å gå på bekostning av fremtidige behov
• Hurtig prototyping, metoder for å fremstille en forenklet modell med hensikt å lette utvikling av et produkt
• Kulelager, type lager som bruker kuler for å redusere friksjon og støtte radiale og aksiale belastninger
• PTC-varmeelement, type varmeelement med selvregulerende egenskap for å hindre termisk rusing
• Spindel, roterende akse i en verktøymaskin
• Termistor, type resistor som endrer elektrisk motstand signifikant med temperaturen
• Termopar, to forskjellige elektriske ledere som produserer en temperaturavhengig spenning