Drukowanie przestrzenne – wokół drukarek 3D

Przełomowa technologia nazywana kolejną rewolucją przemysłową. O druku 3D czyli nowym, nieodzownym narzędziu projektanta tworzącym fizyczne przedmioty z rzeczy cyfrowych opowiadał podczas „Wzorów Przyszłości” Błażej Podkówka – projektant produktu oraz interakcji i doświadczeń użytkownika.

— Magdalena Olszewska

Wytwarzanie fizycznych przedmiotów z pliku komputerowego miało swój początek w latach 80. ubiegłego wieku. Na pomysł szybkiego prototypowania – przez utwardzanie polimeru wiązką lasera, warstwa po warstwie – wpadł najpierw Hideo Kodama. Jednak dopiero Chuck Hull w 1984 roku opracował pełną specyfikację jednej z najpopularniejszych dziś technologii drukowania przestrzennego, nazywanej Stereolitografią (SLA). Dwa lata później opatentował i założył istniejącą do dziś firmę 3D Systems, która już wtedy zaczęła produkować pierwsze drukarki 3D na sprzedaż. Chwilę później, bo w 1988 roku, Scott Crump z Stratasys wymyślił i opatentował najbardziej dostępną i najpopularniejszą obecnie technikę druku, zwaną Fused Deposition Modeling (FDM). Do dziś powstało około trzydziestu technologii wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu.

Fot. Piotr Droździk

Czym się różnią? Co je łączy? I na czym to wszystko polega?

Modele, prototypy oraz przeróżne przedmioty wytwarzane metodą druku 3D, produkowane są w przeważającej części z tworzyw sztucznych, później z żywicy i metalu. Najpopularniejsze, bo łatwo osiągalne, różnorodne i tanie są poliester, poliuretan, poliamid, poliaktyd, polikwas mlekowy, ABS, polistyren i inne tworzywa sztuczne o właściwościach termoplastycznych. Żywice polimerowe wyróżniają się poza różnorodnością, wysoką dokładnością i szczegółowym odwzorowaniem detalu. Z metalem związane są największe nadzieje, ponieważ wytwarzanie z tego surowca może w sposób realny ulepszyć produkcję przemysłową, przede wszystkim redukując koszty przy małych seriach. Poza tym, umożliwiają drukowanie kształtów niemożliwych do osiągnięcia inną technologią niż druk 3D.

Każdy patent druku wykorzystuje konkretne tworzywo, lub kilka różnych materiałów. Niektóre umożliwiają stworzenie produktu częściowo sztywnego i elastycznego jednocześnie. Najważniejsze technologie to wspomniane wcześniej SLA i FDM. SLA – czyli stereolitografia, polega na obrysowywaniu i utwardzaniu kolejnych warstw wiązką lasera. Przeważnie materiałem utwardzanym jest żywica, która imituje różne inne materiały i łatwiej kontrolować jej właściwości fizyczne. FDM wykorzystuje za to wcześniej przetworzone tworzywo, przeważnie sztuczne, do postaci szpuli z nicią. Nić zwana filamentem jest podgrzewana, przechodzi w postać płynną i jest układana warstwa o warstwie w takiej formie, jaką chcemy uzyskać. To tylko dwie, z blisko 30 technologii, warto zwrócić uwagę jeszcze na kilka. Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS) i Selective Laser Melting (SLM) – to podobne patenty, których podstawowa różnica polega na różnicy temperatur, do jakich podgrzewany jest laser łączący kolejne warstwy metalu. Na co dzień używane są jeszcze Zpronting/Color Jet/3dp – metoda z wykorzystaniem mączki kukurydzianej, działająca podobnie do zwykłego druku, została opracowana w Massachusetts Institute of Technology. Kolejne warstwy, nanoszone jak kartki za pomocą rolki, sklejane są w miejscach, które mają być sztywne i trwałe. PolyJet to połączenie 3dp i stereolitografii, gdzie nanoszone warstwowo tworzywo jest dodatkowo naświetlane. Inną, ważną technologią, wykorzystującą żywicę jest CLIP – utwardzana od dołu do góry poprzez wyświetlanie projektorem poszczególnych przekrojów. To jedna z najszybszych, estetycznych i obiecujących technologii – obiekty pozbawione są widocznych warstw.

Fot. Piotr Droździk

Gdzie te wszystkie technologie znajdują zastosowanie?

Od architektury, przez reklamę i marketing, medycynę, energetykę po modę. Dzięki drukarkom 3D powstają makiety architektoniczne, elementy wyposażenia wnętrz, gadżety będące częścią identyfikacji wizualnej firm, elementy ubioru, biżuteria, a nawet implanty i protezy. Te ostatnie są dowodem na nie tylko komercyjne, ale też pomocowe wykorzystanie technologii. Idea druku 3D wiąże się przede wszystkim z ruchem RepRap, czyli projektem stworzenia maszyny samoreplikującej. Łączy się to z perspektywiczną wizją samodzielnego wytwarzania przedmiotów z pomocą drukarki 3D w każdym domu. Umożliwiłoby to łatwe i szybkie produkowanie części zamiennych, a nawet gotowych projektów, udostępnianych za darmo lub sprzedawanych w sieci. Inicjatorem projektu RepRap jest Adrian Bowyer, wykładowca Uniwersytetu w Bath. Póki co udało się wydrukować 70% drukarki, niektóre elementy muszą być w dalszym ciągu produkowane niezależnie.

Dziś drukarki 3D są dostępne w sklepach, w bardzo przystępnych cenach i co ważne, już teraz są w stanie zaspokoić wiele potrzeb przeciętnego użytkownika. Problem tkwi w oprogramowaniu, które wymaga specjalistycznej wiedzy. Stworzenie nawet prostego kształtu w programie do modelowania może być wyzwaniem. Według krzywej hype’u Gartnera (raport prezentujący rozwój trendów technologiczno-informatycznych) druk 3D będzie dostępny przede wszystkim w postaci stacjonarnych drukarni, jakie znamy dziś. Powstają już sklepy, w których można kupić, lub ściągnąć za darmo projekt do wydrukowania w domowej drukarce 3D.

Fot. Piotr Droździk