Drukarki 3D – przyszłość drukowania.

Praca na kółko technologiczne, wykonana przeze mnie i mojego kolegę z uczelni, Jana Grzegorowskiego.

Wyobraźcie sobie średniej wielkości urządzenie o rozmiarach kserokopiarki stojące obok waszego peceta. Pomyślcie sobie że po kilku kliknięciach możecie stworzyć dowolny przedmiot codziennego użytku i nie tylko. Sztućce, krzesło, kubek na kawę, obudowę do telefonu, długopis, jakiś rzadko spotykany element karoserii waszego samochodu, zabawkę dla dziecka, podzespół elektroniczny a nawet kompletny komputer który jest w stanie udoskonalać i replikować się sam. Nierealne? W dalszej części artykułu postaram się przedstawić ze przyszłość jest bliżej niż wam wszystkim się wydaje…

Oglądaliście kiedyś Star Treka? Jednym z głównych elementów tego przedstawionego w tych filmach s-f uniwersum przyszłości była możliwość syntetyzowania praktycznie dowolnej rzeczy w urządzeniach zwanych replikatorami. Drukowanie 3D jest krokiem który przybliża tę wizję do urzeczywistnienia. Drukowanie przestrzenne to jak sama nazwa wskazuje drukowanie rzeczywistych przedmiotów trójwymiarowych na podstawie komputerowego modelu 3D. Technologia ta ciągle się rozwija i powstają coraz to nowsze jej zastosowania które także postaram się przedstawić.

1. Historia

Drukowanie przestrzenne to bardzo młoda technologia, która w zastosowaniach znanych typowemu śmiertelnikowi liczy sobie dopiero kilka lat, jednak technologia ta nigdy by nie powstała gdyby nie klasyczny druk 2D. Ile lat liczy sobie historia druku komputerowego? Właściwie to do drukowania wcale nie jest potrzebny komputer, gdyż prace nad czymś w rodzaju prasy drukarskiej rozpoczęli już w starożytności Grecy i Chińczycy, a w Europie drukuje się książki od czasów Gutenberga, jednak ludzie zawsze marzyli o pełnej automatyzacji tego procesu. Jeszcze w XIX wieku trwały próby mechanicznego zautomatyzowania pracy nowego wtedy wynalazku jakim była maszyna do pisania, jednak bez cyfrowych metod zapisu danych wynalazki takie były tylko ciekawostką. Prostą drukarką działającą na podobnej zasadzie był Schreibmax który była dodatkowym akcesorium do bardzo znanej polskim historykom i inżynierom nazistowskiej maszyny szyfrującej Enigma M4. Po wojnie drukarki znakowe, a następnie igłowe, atramentowe i laserowe upowszechniły się współpracując już z coraz bardziej skomplikowanymi komputerami. Współcześnie istnieją dziesiątki metod zapełnienia kartki papieru tekstem i grafiką, których nie wymienię, gdyż nie jest to tematem tego artykułu.

A co z drukiem 3D? Rokiem narodzin tej technologii jest 1983, wtedy Charles Hull, późniejszy założyciel firmy 3D Systems wydrukował pierwszy przedmiot jakim była filiżanka dla jego żony. Rok później oficjalnie została zaprezentowana pierwsza metoda druku przestrzennego – stereolitografia. Hull stworzyłtakrze format STL który jest powszechnie używanym i uniwersalnym formatem zapisu plików 3D i instrukcji ich wydrukowania wysyłanych do drukarki. Format ten stał się więc dla drukarek 3D tym czym protokół ESC/P dla drukarek 2D.

Przez następne lata technologia druku przestrzennego była wciąż rozwijana, w 1992 roku wyżej wymieniona firma zaprezentowała pierwszą komercyjnie dostępną drukarkę. Druk 3D stał się najpopularniejszą metodą tworzenia prototypów różnych urządzeń i przedmiotów. Technologia ta była wciąż udoskonalana i zwiększała się jej dokładność. W 2002 roku w instytucie Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest w USA wydrukowano w pełni funkcjonalną sztuczną nerkę którą wszczepiono szczurom laboratoryjnym. W 2005 roku podjęto pierwsze próby stworzenia samoreplikującej się drukarki 3D. W 2008 roku powstał Darwin – pierwsza drukarka w technologii RepRap która jest w stanie wydrukować samą siebie prawie w całości. Pozostałe części potrzebne do uruchomienia kopii drukarki nabyć można w ogólnodostępnych sklepach elektronicznych. Powstają też wtedy pierwsze serwisy które umożliwiają za niewielką opłatą wydrukowanie z pliku dowolnego przedmiotu i wysłanie go pocztą klientowi. Kolejne lata to upowszechniane się technologii na coraz większą skalę wraz z jej ciągłym udoskonalaniem i obniżaniem się cen i wymyślaniem coraz to ciekawszych zastosowań w przemyśle, medycynie, życiu codziennym i coraz nowszych typów materiałów (metal, czekolada, tworzywa biologiczne – druk jedzenia) i łączeniu ich (drukowanie plastikowych elementów z wtopionymi metalowymi).

Adrian Bowyer  – pomysłodawca technologii RepRap w swojej pracowni.

2. Zasada działania (na przykładzie drukarki FDM)

Projektowanie i modelowanie 3D zaczyna się od stworzenia modelu 3D w oprogramowaniu CAD, np. Google sketchup,  Blender, 3D Studio. Potem przesyłany model*.STL jest odczytywany przez drukarkę. Termoplastyczny materiał zostaje podgrzany i nakładany warstwami na stół, który w zależności od potrzeb materiału, może być podgrzewany. Materiałem najczęściej jest ABS, który jest typem tworzywa sztucznego. Warstwa po warstwie zostaje nałożony kształt założony w projekcie. W zależności od wielkości drukowanego przedmiotu, drukowanie może trwać od kilku minut do kilku godzin. Po zakończeniu procesu kiedy materiał stwardnieje powstaje gotowy przedmiot zgodny z założeniami projektu, wykonany z materiału jakiego potrzebujemy z dużą dokładnością.

3. Typy drukarek 3D

Drukowanie przestrzenne w przeciwieństwie do innych metod obróbczych jest metodą przyrostową co oznacza, że element jest tworzony poprzez nakładanie kolejnych jego warstw. Ta metoda nie ma praktycznie ograniczeń jeżeli chodzi o stopień skomplikowania kształtów modelu oraz charakteryzuje się stosunkowo krótkim czasem działania.

Drukowanie 3D może być realizowane za pomocą różnych metod, z których każda realizuje ten sam przyrostowy system działania natomiast są wykorzystywane inne materiały budulcowe oraz inna technologia jego nanoszenia.

Wyróżniamy następujące metody drukowania przestrzennego:

– SLA (stereolitografia) – utwardzanie żywicy epoksydowej lub akrylowej o niskiej lepkości wiązką światła ultrafioletowego generowanego przez laser.
– 3D PRINTIG – technika podobna do druku atramentowego, przy czym atrament jest zastępowany przez spoiwo łączące proszek naniesiony na stół modelowy.
– LOM (laminated object manufacturing) – wycinanie zarysu modelu na przyklejanych warstwowo papierach lub foliach.
– SLS ( selective laser sintering) – selektywne spiekanie laserowe proszków metali bądź innego materiału kompozytowego.
– MJM – (multi-jet modeling) – przyrostowe nanoszenie stopionego fotopolimeru akrylowego przez głowicę wielodyskową.
– FDM (fused deposition modeling) – modelowanie ciekłym tworzywem termoplastycznym.

4. Możliwości

5. Wady i zalety drukarek 3D

Zalety:

• Samodzielne drukowanie potrzebnych przedmiotów
• Możliwość wpływania na formę zakupionych przedmiotów (edycja plików)

Wady:

• Głośna praca
• Drogie materiały eksploatacyjne

6. Materiały z których się drukuje

Obecnie drukarki 3d do użytku domowego i małych przedsiębiorstw używają materiały takie jak tworzywa sztuczne:

• ABS – twarde wytrzymałe elementy
• PLA – Poliaktyd, biodegradowalne polimery do zastosowań medycznych
• Nylon – wytrzymalsza, lecz droższa alternatywa dla ABS-u
• Poliwęglan – przezroczyste tworzywo sztuczne, bardzo wytrzymałe
• LayWood – strukturą podobny do drewna
• LayBrick – struktura podobna do gliny, przydatny w modelach architektonicznych
• Stal nierdzewna – biżuteria, można potem pokryć np. złotem

7. Zastosowanie drukarek 3D w różnych dziedzinach.

• Medycyna: protetyka nie będzie wymagała skomplikowanych wtryskarek, każdy zakład posiadający drukarkę będzie mógł wytworzyć produkt na miejscu. Możliwe jest drukowanie całych protez dostosowanych indywidualnie do każdego pacjenta. Trwają prace nad drukowaniem całych organów wewnętrznych i zewnętrznych dzięki specjalnemu biologicznemu materiałowi. Takie narządy będą zbudowane z komórek macierzystych których pacjent nie odrzuci po przeszczepie.
• Zabawki dla dzieci: klocków lego nie trzeba już kupować w sklepie. Wystarczy zakupić drukarkę, ściągnąć projekt klocka, z ABSu wydrukować gotowy klocek.
• Obudowy i akcesoria do telefonów: drukarki 3d z odpowiedniego materiału mogą wydrukować obudowę która będzie chronić przed upadkiem i upiększać wygląd telefonu.
• Elementy wystroju wnętrza:  doniczki, rzeźby
• Części samochodowe, komputerowe itd: czy często zdarzyła ci się sytuacja w której uszkodziła Ci się jakaś bardzo drobna część np. zaślepka od obudowy ATX lub uchwyt drzwiczek schowka samochodowego i jej wymiana wymaga kupna całego elementu np. całej obudowy lub całych drzwiczek schowka? Istnieje możliwość zeskanowania uszkodzonego elementu i utworzenia jego działającej kopii w drukarce 3D.

8. Podsumowanie

Czy drukarki 3D pojawią się w każdym domu i na każdym biurku i upowszechnią się w co najmniej takim stopniu jak drukarki 2D? Wiele na to wskazuje, w ostatnich latach ta technologia ciągle się rozwija, coraz nowocześniejsze modele drukarek są sprzedawane na coraz bardziej masową skalę i po coraz niższych cenach. Z pewnością za kilka lat w każdym mieście pojawi się co najmniej jeden punkt druku 3D, tak jak to jest teraz z punktami ksero. Dojdziemy w końcu do etapu w którym takie drukarki będzie mógł mieć każdy kto będzie potrafił wykorzystać ich możliwości. Co jeszcze przyniesie przyszłość? Ja osobiście jestem bardzo zainteresowany drukarkami które potrafią wydrukować swoją kopię. Na razie można wydrukować tylko niektóre plastikowe ich elementy, ale niebawem zapewne powstanie technologia druku elementów elektronicznych i układów scalonych, wskaże litografia dzięki której powstają wszelkie struktury krzemowe to przecież forma drukowania. Wyobrażacie sobie samoreplikujące się maszyny i komputery które są w stanie udoskonalać same siebie? To nie byłaby rewolucja, to byłaby wręcz osobliwość technologiczna.

Drukowanie 3D może spowodować całkiem sporą rewolucje w gospodarce. Wyobraźcie sobie portal internetowy który posiada kategorie np. dla każdej marki samochodu. Rozrusznik, elementy silnika, karoserii, wszystko do ściągnięcia za drobną opłatą lub za darmo i do wydrukowania na domowej drukarce. Przeniesienie produkcji z wielkich fabryk na domowe zacisze wywołałoby ogromne zmiany w postrzeganiu wytwarzania czegokolwiek.

2025 rok, Poniedziałek. Wstajemy rano i na stole czeka na nas schabowy z ziemniakami, cieplutki i pachnący, wydrukowany przed chwilą przez system inteligentnego domu. Ubieramy do pracy ciemną marynarkę, także wydrukowaną z materiału który nigdy się nie brudzi i nie moknie. Sami ją zaprojektowaliśmy tak aby idealnie na nas leżała. Wsiadamy do samochodu, też wydrukowanego. W naszym ciele działa sobie nerka, także wydrukowana. Na pożegnanie całujemy żonę która jest jak najbardziej realna 🙂 No cóż, niektórych rzeczy nie da się wydrukować…