Drukowanie 3D

Drukowanie 3D jest technologią, która może wywrócić do góry nogami nasze wyobrażenie o ekonomii produkcji. Każdy produkt może być otrzymywany na indywidualne zamówienie, nie ma żadnych korzyści z długich serii, nie mają znaczenia linie dostaw ani cała skomplikowana logistyka. Entuzjaści nazywają tę technologię rewolucją przemysłową 2.0.

Urządzenia, które przekształcają komputerowe, wirtualne modele 3D w rzeczywiste obiekty stały się powszechnym elementem wzornictwa przemysłowego i inżynierii na etapie tworzenia projektów. Teraz próbują zaistnieć w świecie seryjnej produkcji przemysłowej. Czy będziemy wkrótce mogli wydrukować niemal każdy obiekt trójwymiarowy, który można sobie wyobrazić?

Porównanie drukarek 3D

Porównanie drukarek 3D

Jeśli to się uda, to nic już nie będzie takie samo. Osiągnęliśmy etap, na którym maszyna może drukować obiekty z plastiku, ceramiki czy metalu nawet na podstawie projektu przesłanego przez internet. To nie tylko wizja przyszłości, istnieją już dzisiaj elementy otrzymywane za pomocą drukowania 3D używane w maszynach i urządzeniach - począwszy od ozdób i dekoracji, przez samochody, budynki, a nawet sztuczne narządy uzyskane przy użyciu podobnych procesów.

Pokrowiec ale nie procesor

Eksperci z Deloitte wypowiadają się sceptycznie o możliwościach wykorzystania druku 3D do produkcji, zwłaszcza na masową skalę. Uznają jej przydatność do prototypowania, wytwarzania na zamówienie, ale tylko do 10 sztuk. Produkcja większej ilości w sposób tradycyjny jest tańsza i szybsza. Podaje się przykład talerza, który można wydrukować w domu, ale kosztem 30-krotnie przewyższającym jego cenę w sklepie.

Na dodatek drukowane produkty mogą składać się tylko z jednego, co najwyżej dwóch komponentów, a takich prawie nie ma. Nie ma mowy o wytwarzaniu całej tęczy kolorów w sposób podobny do tradycyjnego druku. Same komponenty muszą mieć bardzo ściśle ograniczone własności i zmieniać je w temperaturze bliskiej pokojowej. To bardzo ogranicza możliwość produkcji takich elementów, które jak spirala grzejna muszą być wykonane z materiałów o innych właściwościach. Precyzja wykonania pozostawia wiele do życzenia. Chociaż udało się wydrukować ścieżkę przewodzącą na izolatorze, to o produkcji bardziej skomplikowanych układów jak pamięci czy procesory nie ma mowy.

Od prototypów

Po raz pierwszy drukowanie 3D znalazło zastosowanie w pracowniach projektowych do szybkiego wykonywania prototypów. Stało się to w połowie lat 80. XX wieku. Inżynierowie poszukiwali szybszej alternatywy dla konwencjonalnego prototypowania wykonywanego najczęściej za pomocą najprostszych narzędzi. Przesiadali się już z deski kreślarskiej na oprogramowanie CAD i szukali pasującej do niego możliwości wytwarzania. Dziś nie wiemy, kto wpadł na pomysł przekształcenia modelu cyfrowego na serię cienkich, poziomych przekrojów i budowania z tych przekrojów całego obiektu nanosząc warstwę po warstwie. W pionierskim okresie wykorzystywano płyny lub drobnoziarniste proszki usztywniające się chemicznie lub wskutek podgrzewania.

Początki oczywiście należą do wojska, a konkretnie do DARPA, zajmującej się sponsorowaniem badań na użytek armii USA. Przy jej pomocy na Uniwersytecie w Austin opracowano technologię selektywnego spiekania laserowego (SLS), w którym energię lasera wykorzystuje się do dołączania następnych małych cząstek plastiku, metalu lub proszków ceramicznych do warstw poprzednich, umożliwiając w ten sposób tworzenie kształtu 3D. Schemat postępowania jest prosty: nowe cząsteczki układa się od góry, a po skompletowaniu jednej warstwy precyzyjne serwomotory obniżają łoże, na którym spoczywa budowany obiekt, umożliwiając rozpoczęcie układanie następnej warstwy proszku.

Na mokro

Kilka lat później S. Scott Crump ze Stratasys opracował podobny system dla budulca w stanie ciekłym. W tej roli obsadzono tworzywo termoplastyczne podgrzewane do stanu ciekłego. Jego krople są nakładane za pomocą gorącej głowicy i twardnieją zaraz po jej opuszczeniu, przylegając do nałożonej wcześniej warstwy. Następnie łoże obniża się o wysokość jednej warstwy, robiąc miejsce na następną. Technologia ta to modelowanie uplastycznionym tworzywem sztucznym (Fused Deposition Modelling, FDM). Ale w tej technologii oprócz materiału właściwego często używa się jeszcze drugiego, podporowego, z którego tworzy się konstrukcję do podtrzymania budowanego modelu a po jego wykonaniu - usuwa. Najczęściej jest to inny łatwy do usunięcia plastik lub utwardzana skrobia, rozpuszczająca się w wodzie. Oba materiały nanoszone są przez oddzielne dysze zamontowane w głowicy drukującej.

W typowych drukarkach FDM jednorazowo nakłada się warstwę grubości około 0,1 mm. Ścianki modeli powinny mieć grubość co najmniej pięciokrotnie większą. Cały obiekt, który musi zmieścić się w komorze drukarki, nie powinien być większy niż 30-50 cm. Należy też pamiętać, że wykonane w ten sposób modele są jednokolorowe. Dodanie następnego koloru jest oczywiście możliwe, ale wymaga zwiększenia liczby dysz. Odbije się to na kosztach zarówno druku, jak i samego urządzenia. Dlatego w przemyśle raczej nie spotyka się kolorowych maszyn FDM.

Opatentowane w 1992 roku pierwsze drukarki Stratasys były pierwotnie przeznaczone dla projektantów. Dzisiaj ta technologia znajduje coraz szersze zastosowanie, można się z nią spotkać na przykład w drukarkach 3D produkcji HP.

Dzisiaj szybkie prototypowanie skomercjalizowało się i wyszło poza biura projektowe. Każdy może zaprojektować model 3D i przekształcić go w obiekt fizyczny Właściwie wystarczy przesłać model w postaci pliku, wybrać materiał - żywice, tworzywa sztuczne, szkło, stal nierdzewną a nawet złoto, by wymienić tylko kilka - i czekać. Przedmiot zostanie za jakiś czas dostarczony do domu.

Samoreplikacja

Drukowanie 3D wydaje się idealnym narzędziem do wyprodukowania repliki samej drukarki. Czyli maszyny wytwarzającej samą siebie. Ten pomysł rodem z fantastyki naukowej wydaje się coraz bliższy realizacji. Jest podstawą projektu społecznościowego RepRap realizowanego według pomysłu Adriana Bowyera, starszego wykładowcy inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie w Bath. Jest to zestaw oparty na drukarce 3D, mieszczący się na biurku i działający przy użyciu FDM. Wykorzystuje się głównie plastik, w tym także do wykonania niektórych elementów samej drukarki.

Drukarka Mendel Prusa, powstała w ramach projektu RepRap.

Drukarka Mendel Prusa, powstała w ramach projektu RepRap.

Rzeczywiście jedną z zasad projektu jest zachęcenie ludzi do budowy drukarek RepRap, a następnie wykorzystywania ich do budowania następnych. Oryginalna wersja urządzenia może wydrukować połowę własnych części, przy każdej następnej, wykorzystując nowe materiały i głowice drukujące, ten udział się powiększa.

Świat materialny

W społeczności skupionej wokół projektu RepRap trwają już prace, aby uzyskać drukarkę gotową do wytwarzania z szerszego zakresu tworzyw sztucznych, ceramiki, gumy krzemowej i iłów. Rhys Jones, jeden z uczniów Bowyera, pracuje nad jednoczesnym drukowaniem metali i tworzyw sztucznych. "Im więcej będzie materiałów o różnych właściwościach fizycznych, z którymi maszyna może pracować, tym bardziej wszechstronne i kompleksowe obiekty będzie można budować", wyjaśnia Bowyer. W ten sposób powiększy się także liczba własnych części, które będzie mogła sama wytworzyć. A ponieważ projekt jest open source, jedyną przeszkodą w rozwijaniu się samej idei są koszty. Trudno mówić o cenach, kiedy część urządzenia można wykonać samemu, rozmaite wersje różnią się też możliwościami, ale ogólnie na zakup takiej drukarki trzeba wydać od 350 do 850 dolarów.

Oczywiście wielu wolałoby gotowe rozwiązanie, które dostarcza na przykład MakerBot. To firma Zacha Smitha, jednego z członków założycieli RepRap Research Foundation, produkująca urządzenie pochodzące od RepRap - Thing-O-Matic. Mogą być sprzedawane w całości lub w zestawach do montażu za 1300-2500 dolarów.

Replicator – jedna z drukarek 3D firmy MakerBot.

Replicator – jedna z drukarek 3D firmy MakerBot.

Inna drukarka 3D w ofercie tej firmy nazywa się Replicator. MakerBot ma również swoją internetową społeczność Thingiverse , gdzie użytkownicy mogą dzielić się uwagami i udostępniać nowe wzory i modele 3D innym do wydrukowania.

Za pośrednictwem portalu thingiverse.com użytkownicy mogą dzielić się uwagami i udostępniać nowe wzory i modele 3D innym do wydrukowania.

Za pośrednictwem portalu thingiverse.com użytkownicy mogą dzielić się uwagami i udostępniać nowe wzory i modele 3D innym do wydrukowania.

Co z tego?

Po co się męczyć z wydrukami 3D? Czy tradycyjna produkcja masowa nie jest ekonomicznie bardziej efektywna i praktyczna? Otóż niekoniecznie. Na początek warto zwrócić uwagę, że druk 3D jest elastyczny. W tradycyjnych metodach wytwarzania jesteś ograniczony możliwościami maszyn, narzędzi czy form niezbędnych do wyprodukowania danego obiektu, i to tylko z danego materiału. Ważna jest także możliwość wytwarzania obiektów bardziej skomplikowanych geometrycznie. To pozwala na lepsze dopasowanie kształtu części do jej funkcji i obciążeń, którym jest poddawana. Możliwe staje się wytwarzanie jednej części zamiast dotychczasowych kilku i eliminowanie połączeń między nimi. A to oznacza całkiem konkretne zmniejszenie kosztów produkcji.

"Drukowanie 3D oferuje więcej możliwości niż tradycyjne sposoby produkcji. Możliwe staje się otrzymywanie bardziej skomplikowanych kształtów czy chociażby ruchomych części bez zawiasów", twierdzi Miranda Bastijns, dyrektor i.materialise, jednego z serwisów poświęconych drukowaniu 3D. "Głównym wyzwaniem jest to, że projektanci muszą pokonać stereotypy związane z dotychczasowymi metodami produkcji, do których są przyzwyczajeni".

Drukowanie 3D może być również bardziej wydajne tam, gdzie dotychczasowa technologia rozpoczyna produkcję od całych bloków tytanu czy aluminium, zamieniając po drodze w odpady 40%, a nawet 90% początkowej objętości surowca. Takiej masy odpadów w technologii druku 3D po prostu nie ma. Prawie całe tworzywo sztuczne lub metal są wykorzystywane. Oszczędza się także energię. W społeczności RepRap mówi się nawet o recyklingu materiałów użytych w jednym obiekcie do produkcji innych.

Co najważniejsze, drukowanie 3D może rozwiązać problemy z transportem od producenta do użytkownika. Towary wytwarzane w Chinach stracą swoją przewagę ekonomiczną nad urządzeniami zrobionymi na miejscu, w lokalnych warsztatach, a nawet u siebie w domu. Transportowane muszą być jedynie surowce, na dodatek te same materiały mogą być wykorzystane do produkcji różnego rodzaju przedmiotów. To z kolei może zmienić zasady sprzedaży i funkcjonowania sklepów.

"Drukowanie 3D może wyeliminować cały ogon pochodnych, jaki ciągnie się za normalnymi technologiami wytwarzania. Potrzebne jest tylko miejsce do przechowywania plików, co pozwala drukować na żądanie", twierdzi Bastijns. "Nie jest potrzebna giełda ani akcje, nie ma kosztów związanych z oczekiwaniem aż produkt zostanie sprzedany".

Małe i piękne

To również sprawia, że produkowanie towarów w małych ilościach lub na zamówienie staje się opłacalne. Wytworzenie jednego egzemplarza w produkcji jednostkowej nie powinno kosztować dużo więcej niż serii składającej się z kilku tysięcy. Oczywiście są ograniczenia - m.in. materiałowe. Na razie dominujące tworzywa - plastik i PLA, ekologiczna pochodna skrobi kukurydzianej - nadają się nie do każdego projektu. I choć będzie można wyprodukować w domu kieliszek do jajek, to już drzwi czy stojącej lampy nie da się wytworzyć w ten sam sposób.

Dla Bowyera rozwiązanie polega na budowie nie większych obiektów ale kilku mniejszych, na które tamte większe zostaną podzielone. Wtedy można skorzystać z kilku RepRap-ów, by je wydrukować. "Powiększenie rozmiarów drukowanego elementu przedłuża czas jego wykonania proporcjonalnie do trzeciej potęgi. Dwa razy większy drukuje się ośmiokrotnie dłużej" wyjaśnia. "Ale dzięki możliwości replikacji RepRap-a można ich mieć tyle, ile potrzeba. Wtedy czas wykonania rośnie tylko logarytmicznie ze wzrostem objętości, a nie do sześcianu, jak przy jednej drukarce".

Serwis i.materialise ma swój sposób na łączenie w całość kilku części. Służą do tego zęby specjalnego kroju, które podobnie jak w puzzlach zapobiegają rozłączeniu się poszczególnych elementów. "W ten sposób możemy drukować obiekty parometrowe", chwali się Bastijns.

Od nowych butów do drzwi samochodów

Użytkownicy takich serwisów jak Shapeways (www.shapeways.com) i i.materialise zajmują się głównie produkcją na zamówienie biżuterii, abażurów, mebli, zabawek i wyrobów artystycznych. Jednak pojawiają się już nowe zastosowania. Specjaliści z Shapeways razem z zespołem projektantów mody Continuum zaprojektowali pierwsze na świecie drukowane w technologii 3D kostiumy kąpielowe, składające się z tysięcy maleńkich okrągłych płyt. Na wystawach poświęconych postępowi technologicznemu i "rewolucji przemysłowej 2.0" pokazywano drukowane meble, buty i sukienki haute couture.

Strona główna serwisu shapeways.com.

Strona główna serwisu shapeways.com.

Na portalu Thingiverse można znaleźć setki wzorów i mnóstwo zabawek. Znajdziesz też wzory do przekładni, łożysk, miski, szczypiec i instrumentów muzycznych. Jednak to są tylko drobiazgi i jeśli drukowanie 3D chciałoby się znaleźć w głównym nurcie, musiałoby celować w coś większego. Takim obiektem może być przemysł samochodowy. Materialise, spółka macierzysta i.materialise, już produkuje części do różnych pojazdów. Na liście są deska rozdzielcza, dach Renault Ondeliosa i części do Citroëna Hypnosa.

Całe wnętrze tego ostatniego, w wersji w pełni funkcjonalnej, zostało zbudowane metodą drukowania 3D. Materialise pomogło także Citroënowi wykonać jeżdżącą wersję Citroëna GT, czyli samochodu zaprojektowanego pierwotnie jako wirtualne superauto do gry "Gran Turismo 5" na PlayStation 3. Kolejnym przykładem jest Urbee, samochód będący efektem współpracy inżynierów z Winnipeg pod kierunkiem Jima Kora ze Stratasys. Ma hybrydowy elektryczno-paliwowy napęd i zużywa wyjątkowo mało paliwa (litr ma wystarczyć na 60 kilometrów). Całe nadwozie zostało wydrukowane w 3D, w tym aerodynamiczny spoiler i szyby.

Samochody nie są jedynymi pojazdami, w których wykorzystuje się drukowanie. Zespół z Uniwersytetu w Bristolu, we współpracy z European Aeronautic Defence and Space Company (EADS), zastosował technologię spiekania laserowego do produkcji rowerów z nylonu następnej generacji. Drukowanie 3D znalazło także zastosowane w produkcji Bloodhound SSC, pojazdu, który będzie próbował pobić rekord prędkości na lądzie. Pedały, kierownica i tylne części nadwozia zostały wykonane w tej technologii.

Niektóre elementy konstrukcji superszybkiego pojazdu Bloodhound SSC wykonano za pomocą technologii druku 3D.

Niektóre elementy konstrukcji superszybkiego pojazdu Bloodhound SSC wykonano za pomocą technologii druku 3D.

Skrzydła

Elementy drukowane służą także w lotnictwie. Zespół inżynierów z Airbusa i EADS używa SLS do otrzymywania nowych komponentów, w tym elementów skrzydeł, systemów chłodzenia i części do podwozia. Podobne techniki mogą już dziś być wykorzystywane do produkcji całych skrzydeł.

Na Uniwersytecie w Southampton wyprodukowano samolot bezzałogowy zbudowany w całości z części drukowanych i spiekanych laserowo. Całość trzyma się razem bez żadnych łączeń: jest zbudowana z części, które normalnie byłyby produkowane oddzielnie, jak np. lotki na skrzydłach.

Techniki druku 3D pozwoliły konstruktorom na używanie skomplikowanych kształtów geometrycznych, które wcześniej były zbyt trudne i kosztowne w produkcji. Są znane przykłady rezygnowania z tego powodu z produkcji zbyt skomplikowanych skrzydeł, które teoretycznie powinny mieć rewelacyjne osiągi.

Ze wszystkich elementów samolotu pozostaje silnik. Także tutaj technologia druku 3D notuje osiągnięcia. Firma RedEye zbudowała pełnowymiarowy model silnika turbośmigłowego, wytwarzając wszystkie 188 jego części przez krócej niż miesiąc. I choć silnik, z jego półtorametrowym śmigłem, jest zrobiony z tworzyw termoplastycznych, niewiele stoi na przeszkodzie, żeby wykorzystać inne materiały, bardziej odporne na temperaturę, czyniąc w ten sposób także i wytwarzanie silników za pomocą drukowania 3D ekonomicznie efektywnym.

Wydrukuj sobie dom

Mimo naszych zachwytów udział drukowania 3D w motoryzacji i lotnictwie jest jeszcze bardzo mały. Więc może technologia przyda się w domu?

Niemal od dziesięciu lat na Uniwersytecie Południowej Kalifornii rozwijana jest technologia Contour Crafting. W tym procesie ściany cementowe są wyciskane warstwa po warstwie, a następnie kształtowane narzędziami robota. Celem projektu jest stworzenie robota, który może zbudować dom jedną ręką w jeden dzień. Inne brane pod uwagę zastosowania obejmują szybkie budowanie mieszkań zastępczych, a także skonstruowanie lądownika Marsa lub Księżyca. W tym samym czasie włoski inżynier Enrico Dini z powodzeniem wydrukował pawilon wysoki na dwa metry, przeznaczony do umieszczenia w przestrzeni publicznej w miejscowości Pontedera, w Toskanii. W technologii Diniego, zwanej D-Shape, ściany złożone z warstwy piasku o grubości pięciu do 10 mm, połączone są specjalnym, nieorganicznym "atramentem". W ten sposób można wydrukować materiał podobny do marmuru. Pawilon Diniego Radiolaria jest powszechnie uważany za pierwszy na świecie budynek wydrukowany w 3D. Oczywiście jego "drukarka" ma wymiary stosowne do skali produktu. Podstawa liczy 6 x 6 metrów, a cztery kolumny umieszczone w rogach mogą mieć nawet do 12 metrów wysokości.

drukarka budynków Diniego

drukarka budynków Diniego

W części czy w całości

Przyszłość drukowanych budynków raczej nie będzie polegać na montażu całości na miejscu, ale na tworzeniu komponentów, takich jak betonowe panele, które można łączyć w celu osiągnięcia zamierzonej architektury. Ronald Rael z Uniwersytetu Kalifornijskiego już zaprojektował i wyprodukował cały zestaw złożony z 230 paneli z cementu i polimerów, które nazwał "biomorficznym warsztatem".

Zestaw bardziej nadający się do budowy domu jest opracowywany w zespole kierowanym przez dr. Richarda Buswella z Uniwersytetu Loughborough. Nazywa się Freeform Construction i polega na kontrolowanym wyciskaniu zaprawy cementowej. W ten sposób udało się wydrukować ściany w komplecie, razem z otworami do ich zamocowania, rurami i przewodami. wystarczy jeden dzień na wyprodukowanie i zamontowanie w tej technologii ścian na miejscu.

Nowe możliwości szczególnie podobają się architektom. Często mają oni do czynienia z klientami, którzy chcą mieć wyjątkowe budynki o obłych kształtach i ładnym wzornictwie, ale wiele z tych projektów ląduje w koszu, bo są za drogie w produkcji - mówi Buswell. "Jeśli możemy im zaproponować proces, który pozwoli na wyprodukowanie tych krzywizn w sposób bardziej opłacalny, to bardzo dobrze".

Z kolei wykonawcy budów w dużej skali są zainteresowani zwiększeniem wydajności, która często spada przez opóźnienia dostaw materiałów. Część z tych problemów zniknie po wprowadzeniu nowej technologii. Jeśli nagle trzeba wydrukować panele do innej strony budynku, wystarczy wykonać ich projekt w programie CAD i nacisnąć [Ctrl P].

Oczywiście należy się spodziewać problemów z przepisami budowlanymi i wymaganiami architektonicznymi, ale to nie jest wina technologii, która sama w sobie nie rodzi problemu. "Tylko rynek lub urzędy zadecydują. Ale jeśli chodzi o możliwości, to nie ma przeszkód", przekonuje Buswell.

Dla zdrowia

Technologia jest już wykorzystywana do produkcji wielu urządzeń do zastosowań medycznych, w tym niestandardowych implantów stomatologicznych i dousznych aparatów słuchowych.

W Instytucie Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest w Północnej Karolinie zajmowano się nawet opracowaniem technologii, która pozwalałaby wykorzystać zmodyfikowane drukarki atramentowe do pokrywania sztuczną skórą miejsc, w których skóra naturalna została zniszczona przez oparzenia - komórka po komórce, warstwa po warstwie.

A to dopiero początek. W 2011 roku na jednej z konferencji pokazano technikę drukowania ludzkiej nerki. Za pomocą przerobionych drukarek atramentowych osadzano warstwy mięśni i wyspecjalizowanych komórek. Cały proces wydrukowania nowego narządu trwał około siedmiu godzin. W tym samym okresie naukowcy z Instytutu Fraunhofera w Niemczech zademonstrowali drukarki 3D, które mogą wytworzyć sztuczne naczynia krwionośne, wykorzystując laser do przekształcania materiałów biomolekularnych w elastyczne ciało stałe, łatwo łączące się z organizmem z naturalnych tkanek. Uważa się, że ta technologia może znaleźć zastosowanie do wytwarzania innych narządów.

Struktury produkowane do tej pory były wczesnymi prototypami, a technologii jeszcze dużo brakuje do transplantacji medycznej, ale może doczekamy się świata, w którym szpitale będą skanować chory narząd warstwa po warstwie, a następnie wykorzystywać te dane do utworzenia nowego, idealnie zdrowego.


Zobacz również