Jak to działa? DRUK 3D

druk_3d_technologie_drukarka_3d

Druk 3d to ogólnie mówiąc szereg procesów potrzebnych, aby w sposób zautomatyzowany wytworzyć trójwymiarowy obiekt. Coraz częściej słychać głosy, że stoimy u progu kolejnej rewolucji przemysłowej, której podstawą będą zarówno domowe, jak i profesjonalne drukarki 3d. Ostatnie lata obfitowały w najróżniejsze newsy o technologiach trójwymiarowego druku, jednak należy pamiętać, że sam koncept wcale nie jest taki nowy.

Historia

Drukarki 3d znane były w ciężkim przemyśle już w latach osiemdziesiątych i służyły przede wszystkim do szybkiego prototypowania (eng. rapid-prototyping) różnych urządzeń i części do nich. Oczywiście, jak można sobie wyobrazić, na samym początku była to technologia dostępna jedynie dla wybranych i bardzo bogatych firm. Co ciekawe, nawet stosunkowo niedawno, bo w roku 2010 drukarki 3d, już znacznie szerzej dostępne, nadal potrafiły kosztować 20 tysięcy dolarów. Początki konsumenckiej rewolucji drukarek 3d zaczynają się w roku 2006, kiedy dr Adrian Bowyer zainicjował projekt o nazwie RepRap. Była to inicjatywa zbudowania maszyny zdolnej do samoreplikacji, czyli wydrukowania pełnego zestawu części do zbudowania swojego klona. RepRapowi przyświecała idea open-source, ponieważ od początku modele wszystkich części oraz schematy zostały udostępnione w internecie na otwartej licencji BSD. W tej chwili zestaw części do budowy swojej drukarki opartej na ogólnodostępnych schematach to koszt niespełna 1 600 PLN.

Techniki druku 3d

Wraz z popularyzacją idei maszyn wytwarzających trójwymiarowe obiekty na rynku pojawiały się coraz to nowe techniki druku 3d. Osadzanie topionego materiału, czyli Fused Deposition Modeling lub Fused Filament Fabrication, to obecnie najszerzej używana technologia w konsumenckich drukarkach. Polega ona na nanoszeniu na siebie kolejnych warstw stopionego tworzywa poprzez specjalną dyszę zwaną również ekstruderem. Jest to najtańsza w ‘utrzymaniu’ technologia, ponieważ drukarce należy dostarczyć tylko szpulę z filamentem, którego koszt przeważnie wynosi około 70 PLN za kilogram. Wadą może być dokładność drukowania oraz problemy z drukiem niektórych przedmiotów, gdzie grawitacja przeszkadza nam w poprawnym ułożeniu warstw. Można się przed tym bronić tworząc specjalne podpórki w drukowanym modelu, które później wyłamiemy lub usuniemy nożykiem.

Inne techniki druku są znacznie trudniej dostępne i spotykane przeważnie w urządzeniach o zastosowaniu profesjonalnym. Świetnym przykładem może być Selective Laser Sintering (SLS), która polega na zgrzewaniu specjalnego proszku przez laser i tworzeniu w ten sposób brył. Jest to technika bardzo dokładna, pozwalająca wytworzyć właściwie nieograniczone kształty i w odróżnieniu od FDM grawitacja nie jest tutaj problemem. W tej chwili ceny najtańszych drukarek bazujących na technologii SLS zaczynają się od około 12 000 USD.

Kolejną metodą, o której warto wspomnieć jest stereolitografia, która jest również bardzo dokładna i jednocześnie jest jedną z najstarszych metod druku 3d. Od jej nazwy pochodzi do dziś szeroko używany format plików STL. Metoda polega na nakładaniu kolejnych warstw poprzez zanurzanie modelu w zbiorniku wypełnionym fotopolimerem, a następnie utwardzaniu go za pomocą lasera. Problemem stereolitografii jest stosunkowo mała wytrzymałość wytworzonych wydruków, jednak świetnie nadaje się ona do wytwarzania małych i bardzo szczegółowych elementów.

Materiały

Ostatnimi czasy do mediów przebijają się newsy o coraz to nowszych materiałach, z których wykonujemy wydruki. Nikogo nie dziwią już dziś informacje o wydrukach z czekolady, metalu, szkła czy nawet ludzkiej tkanki.

Dla domowych drukarek 3d podstawą są jednak filamenty bazujące na dwóch materiałach: ABS oraz PLA. Ten pierwszy znany jest nam doskonale, ponieważ zrobione są z niego w całości na przykład klocki Lego. ABS, czyli akrylonitrylo-butadineo-styren został stworzony na bazie ropy naftowej, dlatego drukując przy jego użyciu musimy zapewnić odpowiednią wentylację w pomieszczeniu, ponieważ podczas procesu topienia wydzielają się szkodliwe opary. Alternatywa do ABS, czyli PLA jest znacznie bardziej przyjazna środowisku, ponieważ jest w stu procentach biodegradowalna. Materiał ten wytwarzany jest na bazie mączki kukurydzianej, dzięki czemu jest całkowicie nietoksyczny oraz bardziej błyszczący i kolorowy niż ABS. PLA jest popularnie wykorzystywany w produktach biomedycznych, czyli przykładowo w implantach dentystycznych, niciach chirurgicznych oraz jednorazowych opakowaniach lub naczyniach.

Na rynku dostępna jest szeroka gama alternatywnych materiałów takich jak na przykład: elastic PLA przypominający twardą gumę, nylon używany do druku modeli bardzo elastycznych czy LayWood, który jest mieszanką spoiwa polimerowego i przetworzonego drewna, dzięki czemu możemy tworzyć modele drewniane.

Dużo ostatnio eksperymentuje się z drukiem 3d z jedzeniem, może to brzmieć zabawnie, ale ta technologia może mieć realne zastosowanie w lotach kosmicznych. Poza tym kto z nas nie chciałby zjeść wymodelowanej przez nas samych tabliczki czekolady. Prawda, że smakowita wizja? :)

druk_3d_technologia_druku_3d_drukarka_3d

Zastosowania

O przykładach zastosowania druku 3d mógłbym napisać zupełnie oddzielny artykuł albo nawet całą serię, dlatego skupię się na tych najciekawszych. Od pierwszych dni tej technologii jest ona przede wszystkim wykorzystywana do prototypowania. Pozwala to na przetestowanie wytwarzanych przez nas produktów od razu, bez potrzeby uruchamiania linii produkcyjnej tylko po to, aby dowiedzieć się, że gdzieś po drodze popełniliśmy błąd i musimy wrócić do deski kreślarskiej. Dziedziny takie jak architektura również korzystają na popularyzacji druku 3d, makiety niegdyś tworzone ręcznie teraz możemy bez problemu szybko wydrukować nawet w wielu egzemplarzach. Coraz częściej na różnych targach widać wydrukowaną biżuterię, która jest nie tylko estetyczna, ale i niepowtarzalnie spersonalizowana.

Rok temu na konferencji LeWeb w Paryżu zaszokowała wszystkich Mary Huang, która opowiedziała historię swojej firmy drukującej kobiece buty. Stwierdziła, że w jej firmie działa non-stop kilkadziesiąt drukarek firmy MakerBot i jest to znacznie tańsze niż utrzymanie linii produkcyjnej, a przy okazji jest w stanie stworzyć buty o idealnie dopasowanym rozmiarze.

Zastosowań druku 3d jest bardzo wiele, niektórzy twierdzą, że  w niedalekiej przyszłości, kiedy zabraknie nam jakiegoś przedmiotu, będziemy mogli go po prostu wydrukować zamiast kupić w sklepie. Osobiście wierzę, że jesteśmy bliżej tej wizji niż kiedykolwiek. Mój znajomy niedawno ułamał uchwyt do napojów w swoim samochodzie, część zamienna u oficjalnego dealera kosztuje 299pln, wymodelowanie tej części w prostym programie 3d i wydrukowanie trwało niecałą godzinę, a materiał użyty do wydruku kosztował niecałe 5 PLN.

Rynek drukarek 3d

W ostatnim czasie na rynku pojawia się coraz więcej producentów drukarek 3d. Nawet z Polski wychodzi coraz więcej zauważanych i docenianych na świecie produktów. Za przykład może posłużyć firma Zortrax, która niedawno ogłosiła, że podpisała kontrakt z firmą Dell na dostarczenie pięciu tysięcy wyprodukowanych przez siebie urządzeń. Inną świetną konstrukcją pochodzącą z naszego kraju jest zbudowana przez firmę Pirx3s drukarka PirxOne, którą można nabyć już za trzy tysiące złotych, co stanowi świetną propozycję dla początkujących.

Odpowiednikiem naszego Zortraxa w USA jest zlokalizowana na Brooklynie firma MakerBot, która zaczęła od sprzedaży zestawów do własnego montażu drukarek typu RepRap, a później zaprojektowanych przez siebie konstrukcji. Rok temu firma chwaliła się sprzedażą 50 000 urządzeń globalnie.

Za granicą nowe drukarki prezentowane są najczęściej w crowdfundigowym serwisie Kickstarter. Największym sukcesem okazała się The Micro, pierwsza typowo ‘biurkowa’ drukarka, której ceny zaczynały się od 200 USD, w sumie zebrała 3,5 miliona dolarów. Innym ciekawym, choć nieco kontrowersyjnym przykładem jest urządzenie Buccaneer, które z kolei również wielokrotnie przekroczyło swój cel, jednak samo dostarczenie sprzętu do wspierających odbyło się z ponad dwuletnim opóźnieniem.

Wygląda na to, że drukarki 3d, pomimo że przysłowiowym tłumom znane są od stosunkowo niedawna, zagoszczą u nas na dłużej. Jest to szalenie ciekawa technologia, która jak widać na przykładach wymienionych wyżej może znaleźć w naszym życiu bardzo szerokie zastosowanie.