Technologia druku 3D. Wprowadzenie

Drukowanie 3D jest jedną z technologii szybkiego prototypowania polegającą na warstwowym wytwarzaniu fizycznych obiektów w oparciu o trójwymiarowe modele komputerowe przygotowane przy użyciu oprogramowania CAD. Inne nazwy tego procesu to metody addytywne, lub kształtowanie przyrostowe.

Mimo że początki druku 3D sięgają lat 80. XX wieku, jego znacząca popularyzacja nastąpiła dopiero w ostatnich latach. Techniki szybkiego prototypowania pozwalają znacznie skrócić czas wykonania prototypu, czy też właściwego produktu, w porównaniu do klasycznych ubytkowych metod wytwarzania. Ich wykorzystanie przyczynia się do obniżenia ceny wdrożenia nowego wyrobu, dając projektantom i inżynierom możliwość przetestowania w krótkim czasie dużej ilości wariantów końcowego produktu.

HISTORIA I TECHNIKI DRUKU 3D

Addytywne technologie wytwarzania wzięły swój początek od technologii zwanej stereolitografią (SLA), wynalezionej w latach osiemdziesiątych XX w. przez Charles’a Hull’a. Wykorzystuje ona fotopolimery, utwardzane przy pomocy światła UV, do tworzenia trójwymiarowych modeli. Sterowany numerycznie system zwierciadeł pozwala na obrysowywanie laserem i polimeryzację jedynie wybranych obszarów płynnego materiału. W 1986 roku C. Hull założył pierwszą firmę zajmującą się drukiem przestrzennym – 3D Systems.

Równolegle na uniwersytecie w Texasie, Carl Deckard pracował nad inną technologią wytwarzania addytywnego, opatentowaną przez niego w 1989 roku. Mowa o selektywnym spiekaniu laserowym (SLS – Selective Laser Sintering), w którym sproszkowany materiał (metal, ceramika, tworzywo sztuczne) jest spajany warstwowo przy pomocy wiązki lasera.

W tym samym roku, Scott Crump, założyciel firmy Stratasys złożył patent na technologię drukowania metodą osadzania topionego materiału (FDM – Fused Deposition Modeling), wykorzystującą materiały termoplastyczne do wytwarzania trójwymiarowych modeli. Jest to najpowszechniej wykorzystywana metoda wytwarzania addytywnego ze stosowanych obecnie. Patent na to rozwiązanie nadal należy do firmy, jednak proces znalazł zastosowanie również w projektach tworzonych na licencji open-source, takich jak RepRap. Z tego względu, mimo bliźniaczej zasady działania, w przypadku projektów otwartych, używa się nazwy FFF (Fused Filament Fabrication).

W technologii FDM/FFF, jako materiału wsadowego do drukarki używa się drutu wykonanego z materiału termoplastycznego, nazywanego filamentem. Drut ten jest topiony w głowicy drukującej i wytłaczany przez dyszę. Stosowany powszechnie układ sterowania numerycznego drukarką, oparty na znormalizowanym języku zapisu poleceń dla urządzeń CNC, pozwala zaprogramować ją w ten sposób, aby materiał wypuszczany był w zadanych miejscach warstwa po warstwie.

W roku 1989 w Niemczech, Hans Langer założył firmę EOS GmbH skupiającą się na rozwoju technologii stereolitorgrafii i spiekania laserem. Rok później premierę miała drukarka STEREOS tej firmy, a pierwszym odbiorcą urządzenia był koncern BMW.

Lata 90 XX wieku to okres udoskonalania technologii druku, w tym czasie powstaje również wiele firm, prezentujących nowe rozwiązania. Ze względu na wysoką cenę urządzeń, znajdują one zastosowanie jedynie w przemyśle i dużych przedsiębiorstwach, które stać na zakup tego typu sprzętu.

W pierwszej dekadzie XXI wieku uwidocznił się podział sektora druku 3D na dwa obszary. Pierwszy, składający się z producentów wyspecjalizowanych i kosztownych systemów do szybkiego prototypowania, stosowanych do wytwarzania wysokiej jakości komponentów, które są implementowane w produkcie końcowym. Urządzenia te znajdują zastosowanie przede wszystkim w aplikacjach z branży lotniczej, motoryzacyjnej i medycznej, oraz w jubilerstwie. Główni producenci tego typu systemów to firmy znajdujące się na rynku od lat, takie jak wspomniane 3D Systems, Stratasys, EOS czy ZCorporation.

Do drugiego obszaru zaliczamy urządzenia, przeznaczone do wytwarzania modeli koncepcyjnych, funkcjonalnych części prototypowych, używanych jedynie do przetestowania danego podzespołu, a nie do stosowania go w końcowym produkcie. Drukarki tego typu są znacznie tańsze, przyjazne w użytkowaniu i mniejsze gabarytowo. Produkcją wspomnianych urządzeń zajmowali się również czołowi producenci z branży i takie firmy jak ExOne, EnvisionTec, czy ObjetGeometries (przejęta przez Stratasys’a w 2011 roku).

Mimo wzrastającej powszechności stosowania urządzeń do szybkiego prototypowania, w dalszym ciągu znajdowały one zastosowanie głównie w dużym przemyśle. Prawdziwym przełomem w tej dziedzinie było rozpowszechnienie się tanich drukarek 3D za sprawą ruchu RepRap.

W roku 2004 w Wielkiej Brytanii, dr Adrian Bowyer z uniwersytetu w Bath, stworzył koncepcję urządzenia samoreplikującego, zdolnego do wytworzenia własnych części. Wraz z zespołem zbudował drukarkę wytwarzającą trójwymiarowe modele metodą osadzania topionego materiału (FFF). Projekt został udostępniony na wolnych licencjach, przez co każdy może włączyć się w jego rozwój i na podstawie dostępnych schematów i instrukcji stworzyć własne urządzenie. Doprowadziło to do powstania wielu autorskich wersji drukarek 3D opartych na rozwiązaniach RepRap, a w styczniu 2009 roku pierwsze takie urządzenie trafiło do sprzedaży.

Mimo, że cały projekt w założeniach miał pozostać otwarty i trzymać się z dala od komercjalizacji, dał on początek wielu firmom, które z czasem porzuciły jego idee. Koronnym przykładem takiego przedsięwzięcia jest firma Makerbot Industries, której przedstawiciele wykazywali bardzo duże zaangażowanie w rozwój ruchu RepRap, tworząc w 2009 roku drukarkę o nazwie Cupcake CNC i sprzedając ją w formie kit-ów do samodzielnego montażu.

Ogromny sukces sprzedażowy tego produktu (3500 urządzeń do marca 2011 roku) doprowadził do zainteresowania przedsiębiorstwem inwestorów. W 2011 firma inwestycyjna The Foundry Group podpisała kontrakt z Makerbot’em, udzielając mu dofinansowania w wysokości 10 milionów dolarów. Od tego czasu tworzone przez przedsiębiorstwo konstrukcje i oprogramowanie nie są udostępniane na wolnych licencjach, a całe przedsięwzięcie stało się typowo komercyjne.

Obecnie obserwuje się rozpowszechnienie drukowania przestrzennego wśród małych firm i osób prywatnych. Znaczący spadek cen tych urządzeń i ciągłe doskonalenie ich obsługi przyczyniają się do popularyzacji drukarek wśród architektów, artystów, technologów i konstruktorów, jak również w systemie edukacji.

Opublikowany w 2014 roku przez amerykańską firmę analityczną Gartner raport na temat trendów technologicznych prognozuje bardzo dynamiczny rozwój tej technologii w najbliższych latach.

Sytuacja na rynku drukarek 3D wytwarzających modele metodą topienia materiałów termoplastycznych jest niezwykle dynamiczna, z każdym miesiącem przybywa producentów tego typu sprzętu. Niestety, większość z tych konstrukcji powiela gotowe rozwiązania nie wprowadzając żadnych innowacyjnych zmian, ani nie usprawniając w żadnym stopniu ich działania. Tym bardziej cieszą inicjatywy jakich podejmują się firmy takie jak na przykład krakowski 3DKreator, mające na celu, wprowadzić drukarkę 3D do świata osób niewidomych i niedowidzących, poprzez aktywne drukowanie materiałów dydaktycznych, brajlowskich tabliczek czy przenoszenie obrazów z płaskich do przestrzennych.

ZASTOSOWANIE

Wraz ze wzrostem popularności technologii szybkiego prototypowania pojawiają się nowe, coraz szersze zastosowania dla drukarek 3D.

Od prostych gadżetów, zabawek, butów, ubrań, biżuterii, poprzez projekty architektoniczne, prototypy maszyn, elementy urządzeń, aż do drukowania rzeczywistych rozmiarów domów, protez, tkanek czy być może już niedługo całych ludzkich organów.

Oferta drukarek 3D, wielość materiałów z których możliwy jest wydruk, różnorodność dostępnych modeli urządzeń i ich rozpiętość cenowa sprawiają, że narzędzie to w niedługim czasie będzie wsparciem dla praktyczniej każdej gałęzi przemysłu, jak również dla wielu specjalizacji medycznych.

Zastosowanie druku 3D w medycynie, zdaje się być szansą dla wielu, często nieuleczalnie, chorych. Już dziś możliwe jest drukowanie spersonalizowanych protez, elementów kończyn czy kości. Precyzyjne modele, tworzone w oparciu o dane z obrazowania medycznego – USG, rezonans magnetyczny, tomografia komputerowa, zdjęcia rentgenowskie, pozwalają na idealne dopasowanie protezy, wydruk brakującego fragmentu kości, czy stworzenie ortezy
z powodzeniem zastępującej tradycyjny gips. Tytanowe elementy czaszek, egzoszkielety umożliwiające poruszanie się osobom sparaliżowanym czy eleganckie protezy odpowiadające nawet najbardziej wybrednym gustom, to jednak dopiero początek. Równolegle w laboratoriach najlepszych uczelni i instytutów naukowych na całym świecie, trwają zaawansowane prace badawcze, których celem jest opracowanie rozwiązań pozwalających na zastosowanie druku 3D do tworzenia tkanek i narządów ciała ludzkiego. Zdecydowanie szybciej niż przewidywali to autorzy science fiction, wydrukowane
w technologii 3D wątroby, skóra czy nerki ratować będą ludzkie życie.

ŚWIAT W 3D NA WYCIĄGNIĘCIE RĘKI

Kolejną ważną dziedziną, w której technologia prototypowania przestrzennego może znacząco ułatwić życie jest świat osób niewidomych i niedowidzących. Dzięki drukowi 3D możliwe jest stworzenie dowolnego modelu, który pozwoli osobom niewidomym i słabowidzącym zobaczyć skomplikowaną budowlę, zapierającą dech w piersiach panoramę gór, egzotyczne zwierzę, namalowany przed wiekami obraz czy strukturę kryształu lodu.

Liczne przykłady z całego świata pokazują jak wiele zastosowań w świecie osób z dysfunkcją wzroku znajduje druk 3D.

Naukowcy z Uniwersytetu Colorado stworzyli serię bajek dla dzieci ilustrowanych trójwymiarowymi wydrukami. Przestrzenne książki pozwalają małym czytelnikom zobaczyć przygody bajkowych bohaterów. W Japonii w jednej ze szkół dla dzieci niewidomych i niedowidzących zainstalowano maszynę dzięki której dzieci, z szerokiej gamy modeli, mogą same wybierać co chciałyby wydrukować i zobaczyć. Często wydawać by się mogło najprostsze rzeczy jak żyrafa, czy gwiazda, wywołują najwięcej emocji. Entuzjazm dzieci budzą także wszelkie pomoce naukowe które na potrzeby zajęć szkolnych można przygotować na drukarce 3D. Na Islandii dzięki technologii 3D opracowano podręcznik do nauki anatomii, zawierający modele ludzkiego ciała, poszczególnych układów i narządów. Jak pokazuje przykład Arizony stworzenie biblioteki gotowych do wydruku pomocy naukowych z praktycznie każdej dziedziny, w połączeniu z drukarką 3D dostępną dla każdego, pozwala przygotować ciekawe zajęcia i zainteresować osoby niedowidzące i niewidome nawet tak trudnymi przedmiotami jak fizyka czy astronomia. Celem działań podejmowanych w Arizonie, jest stopniowe zwiększanie liczby osób niewidomych i słabowidzących z co najmniej średnim wykształceniem.

Kolejnym interesującym projektem, którego pierwsze oznaki możemy obserwować także w większych polskich miastach są miniatury budynków i zabytków umożliwiające niewidomym i niedowidzącym turystom poznanie miasta i zobaczenie jego architektury. Jedna z bibliotek na Litwie poszła nawet o krok dalej tworząc w technologii 3D całą wystawę najsłynniejszych budowli i zapraszając osoby z dysfunkcją wzroku do podróży w odległe zakątki świata. Wystawa ta, razem z wydrukowanymi portretami słynnych osób podróżowała po bibliotekach na Litwie, docierając finalnie do Wilna.

Jak widać z powyższego przykładu zwiedzanie Taj Mahal czy Muru Chińskiego może być czasem prostsze niż przejście z punktu A do punktu B w nowym mieście. Nad tym by nowe miasto, ze skomplikowanymi skrzyżowaniami nie było przeszkodą nie do pokonania, pracują z kolei naukowcy z uniwersytetu w Północnej Karolinie. Tworząc makiety skrzyżowań i rond chcą pomagać osobom niewidomym i niedowidzącym bezpiecznie poruszać się po mieście i zaznajomić ich z lokalną infrastrukturą.

W przyszłości osoby niewidome i niedowidzące będą mogły nie tylko zobaczyć nieznane miasto i zwiedzić jego zabytki, ale także przyjrzeć się z bliska największym dziełom malarstwa w słynnych muzeach. Całkiem możliwe, że już niedługo słynne obrazy staną się przestrzenne. Dzięki pomysłowi grupy studentów z Harvardu, możliwe będzie zobaczenie na trójwymiarowym wydruku najbardziej znanych dzieł malarstwa.

Czy technologia druku 3D przybliży świat osobom z dysfunkcjami wzroku? Odpowiedź na to pytanie wydaje się przesądzona. Patrząc na liczne przykłady, możemy mieć pewność, że w niedalekiej przyszłości płaskie obrazy, abstrakcyjne twierdzenia matematyczne, plany miast staną się przestrzenne i bardziej przyjazne tym wszystkim, dla których to dłonie są oknem na świat.

 

 

 

 

 

Autorzy

Piotr Klama

Aleksandra Szczerbak

 

 

 

 

Artykuł  opublikowany dzięki uprzejmości firmy 3dKreator.

 

Napisz odpowiedź