Hva er en 3D printer?

En 3D printer (eller 3D skriver om du vil) er enkelt og greit en maskin som printer i 3 dimensjoner. Vi snakker gjerne her om akser; X- og Y-aksene er lengde og bredde, og Z-aksen er høyde. For at en printer skal skjønne hva den skal gjøre bruker man en programvare som basert på innlastet 3D tegning og en mengde innstillinger/variabler genererer en fil som igjen lastes inn i printeren. I denne filen ligger alle bevegelsene maskinen skal gjøre, og da i X, Y, og Z-koordinater. Nå skal ikke vi avansere for fort her, så dette temaet kommer vi tilbake til.

For de som kjenner litt til temaet, så forbinder man gjerne 3D printere med filamentbaserte printere – den typen som har en lang plasttråd spunnet inn på en rull og som mates inn maskinen. Det er også denne typen 3D printere som uten sammenligning er mest vanlig til privat-/hobby bruk. Slike printere kalles for FDM eller FFF printere – se infoboks under.
Det er filamentbaserte 3D printere vi i hovedsak skal gå gjennom i denne teksten.

Nøyaktig hvordan disse fungerer skal vi komme tilbake til lenger ned.

Ekstrudering av material på denne måten er ikke utelukkende basert på filament, men finnes også med pellets, leire, sement (ja, det finnes “printere” som kan printe et hus!), metall og så videre.

Såkalte ekstruderingsprintere er likevel bare èn av mange teknologier som benyttes innen det man kaller 3D print.

Andre typer 3D printer teknologier

• Kar-baserte resinprintere – denne teknologien kalles også for kar-polymisering (fra engelsk – VAT Polymerization), go er en familie med utskriftsprosesser som bruker en lyskilde for å herde flytende fotopolymer-resin i et kar (Fotopolymer er polymer som reagerer på lys). I denne prosessen vil en lyskilde styres med høy nøyaktighet til spesifikke punkter eller områder i den flytende resinen som angitt i filen generert av en 3D tegning. Resinen herdes der hvor lyset treffer. Dette gjøres lag for lag. Så fort et lag er ferdig herdet flyttes byggeplattformen i ekstremt små trinn på 0,01 – 0,05 mm (for sammenligningen sin del, et hårstrå fra et menneske er i området 0,04 – 0,10 mm tykt) og prosessen starter på nytt. Hvert lag sitter fast i det forrige. Dette foregår lag for lag for lag helt til modellen er ferdig.
  Resin-baserte maskiner printer typisk opp-ned på grunn at måten disse jobber på; Første lag herdes på byggeplaten som henger ned i resinen, og løftes lag for lag.
  Siden resin er flytende kjemikalier kreves det forholdsregler ved bruk av slike maskiner – som verneutstyr (maske, hansker) og ventilasjon.
  De mest vanlige resinteknologiene er SLA (Stereolithography), DLP (Digital Light Processing) og LCD (Liquid Crystal Display), og hovedforskjellen mellom disse er lyskilden og hvordan den brukes for å herde resinen.
  Det finnes også flere typer i denne kategorien, men som i hovedsak brukes i industrien. Vi skal ikke gå dypere inn på det her i denne omgang, men vi kan nevne eksempler som DLS (Digital Light Synthesis), P³ (Programmable Photopolymerization), LFS (Low Force Stereolithography), LMM (Lithography-based Metal Manufacturing), PµSL (Projection Microstereolithography) og DCM (Digital Composite Manufacturing).
  – Ok, så var kanskje siste avsnittet her helt unødvendig informasjon, men vi tok det likevel med siden vi regner med at det finnes noen som er like nysgjerrig som oss
• Material Jetting (her er det egentlig ingen gode norske ord, men materialstråling eller materialstråleskriving kan brukes), eller UV-printer er en teknologi hvor ørsmå dråper (helt ned mot 0,001 mm i diameter!) av materiale “skytes” ut som raskt blir solid på en byggeplate. Teknologien kan minne litt om måten en blekkskriver fungerer på (du vet, slike man sender et flatt papirark gjennom og får en todimensjonal utskrift ut på andre siden). Disse dråpene er fotopolymer/resin eller voksdråper som herdes ved eksponering mot lys, og objektet bygges opp – lag for lag.
  Det som virkelig er spennende med denne teknologien er at den tillater utskrifter i fullfarge og forskjellige teksturer! Ingen laglinjer er synlige i slike utskrifter, og ser helstøpt ut, ikke minst også med et utrolig imponerende detaljnivå. Og ikke bare er fullfarge mulig, men også gjennomsiktig – og da helt krystallklart. I tillegg er det mulig med multimaterialutskrifter – altså blanding av flere materialtyper i samme utskrift. Utskriftene trenger ikke å herdes i etterkant, siden de herdes underveis i utskriften.
  Det finnes ingen slike maskiner for hjemmebruk enda, og slike printere koster gjerne flere millioner kroner.
  Material jetting teknologier er M-Jet, NPJ, PolyJet, Aerosol Jet og Plastic Freeforming.
  I løpet av 2025 er det likevel ventet å komme maskiner på markedet – for hjemmebruk – som kan benytte denne teknologien, men det vil i første omgang være begrenset til rundt 5mm høyde. Det geniale med dette er at man kan lage teksturerte utskrifter på nær sagt enhver overflate (kortmapper, mobildeksler, klær, glass og kopper, akryl og mye mye mer).
• Binder Jetting er et system som har likhetstrekk med både SLS og Material Jetting. I stedet for å skyte ut dråper av materiale bruker disse maskinene et flytende bindemiddel eller smeltemiddel. Materialet er gjerne metall, plast, sand, keramikk, tre, sukker, eller annet pulverbasert. Et “blad” valser et tynt lag med pulver over byggeplaten, og bindemiddelet avsettes i dråper på alle steder av laget hvor det skal bli et fast objekt. Når laget er ferdig valses et nytt lag med pulver over, og ny runde med binde- eller smeltemiddel. Det vil i de fleste tilfeller være behov for etterbehandling av objektene.
  I likhet med Material Jetting finnes det her ingen maskiner for hjemme/hobby-bruk.
• SLS – Selective Laser Sintering. Dette er pulverbaserte printere som danner objekter i pulver ved hjelp av laser. Et kar med pulver i en lukket maskin varmes opp til en temperatur akkurat under materialets smeltepunkt. En “blad” legger ut et svært tynt lag med pulvermaterial (ca 0,1 mm tykt) på en byggeplattform. Deretter benyttes laser for å sintere pulveret og gjøre det solid på de punktene hvor objektet skal dannes. Laseren i praksis scanner hele laget. Byggeplattformen flyttes deretter ett lag ned, nytt lag med pulver legges over, og laseren scanner på nytt. Dette foregår lag for lag til objektet er ferdig.
  Pulver som ikke gjøres solid med laser blir liggende og danner samtidig støtte for objektet som printes. Pulveret er altså selvstøttende, og eliminerer behovet for støttestrukturer. Utenom rengjøring er det ikke behov for etterprosessering av objektet, og det kan poleres, lakkeres, farges, maskineres osv.
  De mest vanlige SLS pulver materialene er nylon (PA6 og PA12), men kan også lages i andre typer materialer – f.eks. fleksibel TPU.
  Største fordelen med SLS teknologien er at den kan lage utrolig sterke utskrifter.
  Heller ikke denne teknologien er per i dag ikke for hjemmebruk.

Hvordan fungerer en filamentbasert 3D printer?

Som vi allerede har vært litt inne på så handler 3D printing om å legge lag på lag på lag oppå hverandre helt til den er ferdig. De filamentbaserte printerne har en rull med materiale som mates gjennom en PTFE tube (teflontube) inn i printeren og ned i noe vi kaller et printhode eller ekstruder (på engelsk; toolhead, printhead eller extruder). Det er den som beveger seg rundt i printeren og presser filamentet ut i smeltet form. Printhodet inneholder vanligvis ekstrudergir (tannhjulene som mater filamentet videre), filamentsensor (som gir varsel dersom det tomt for filament), en eller flere vifter, dyse og varmeelement, temperatursensor og elektronikk.

Det som har vært de to vanlige måtene å mate filament på kalles Bowden og Direct Drive. I Bowden-systemet er matemekanismen (ekstrudergir) plassert separat fra printhodet, da gjerne på selve rammen til 3D printeren. Derfra skyves filamentet gjennom en PTFE tube ned til printhodet. Denne metoden har blitt mindre og mindre vanlig, og bortimot ingen nye printere på markedet i dag benytter Bowden. Den som har tatt over for denne typen matemekanisme er Direct Drive-systemet. Her sitter alt i selve printhodet. Begge systemet har sine fordeler og ulemper, men hovedårsaken til at Direct Drive har tatt over er materialkompatibilitet, samt at det reduserer problemer relatert til selve matingen. Spesielt stor fordel med Direct Drive er når man skal printe med fleksible (myke) materialer.

Videre skyves da altså filamentet ned gjennom en del som kalles cold end, og derfra er det ned i den varme delen av ekstruderen som kalles hotend. Hotend består av et varmeelement, en varmeblokk, thermistor og dyse. Varmeelementet tilfører varme til varmeblokken, og denne varmeblokken har til funksjon å sikre stabil temperatur. Man kan nesten se på den som en buffertank for varmen til dysen. Her finner du også en thermistor som måler temperatur. Selve sensoren på en thermistor er mindre enn èn millimeter bred. Disse thermistorene får redusert motstand etterhvert som temperaturen blir høyere, og temperaturkontrolleren i printeren leser av verdiene og regulerer temperaturen til varmeelementet deretter.

Til slutt finner vi altså dysen, som sitter festet i varmeblokken. Det er her materialet presses ut gjennom en tynn åpning. Åpningen på dysen har typisk en diameter på kun 0,4 mm , men det finnes også andre størrelser – helt avhengig av hva som passer ens behov. En mindre dyse (f.eks. 0,2 mm) vil kunne printe mer nøyaktig og med lavere laghøyde, men egner seg dårlig til filament som inneholder eksempelvis karbonfiber eller trefiber. Printtiden vil også være betydelig lenger med en slik dyse. Motsatt vei vil større dyser gjøre printingen raskere og da med større laghøyder, men ulempen vil være mindre detaljer og i mange tilfeller mindre pent utseende. 0,4 mm er derfor ansett som den mest universale størrelsen, og de aller fleste hjemmeprintere leveres med en slik som standard.

Vi nevner samtidig at mellomstykket mellom coldend og hotend kalles heatbreak, eller varmeskille. Dette er et lite gjenget rør som både mekanisk og termisk da separerer kald og varm side – med andre ord hindre at varmen sprer seg oppover i den kalde delen. Det er inne i dette lille røret hvor filamentet begynner å mykes opp og endre karakteristikk, men uten at det smelter helt. Heatbreak må ikke forveksles med heatblock.

Konstruksjon og bevegelse

Vi har nå gått gjennom prinsippet bak en filamentbasert 3D printer, men du lurer kanskje på hvordan en slik printer er konstruert? 
Det finnes flere forskjellige typer bevegelsessystemer (motion systems) og de mest kjente er Cartesian motion system og CoreXY motion system. En noe mindre kjent variant er Delta motion system. I tillegg finnes CoreXZ, H-bot, Crossed etc.
Type bevegelsessystem gir forskjellig design og oppbygning på printerne, selv om prinsippet bak FDM/FFF er likt.

Vi tar her en liten gjennomgang av de tre mest brukte bevegelsessystemene innen FDM printere.