Drukowanie przestrzenne

Model kostki Mengera wykonany za pomocą techniki drukowania przestrzennego

Przykładowa drukarka 3D

Globus Wikipedii wydrukowany za pomocą druku 3D

Części wydrukowane za pomocą technologii druku przestrzennego

Stanford Dragon jako modelowy przykład

Pierwszy w Polsce pomnik wykonany z materiałów polimerowych i grafenu w technologii druku przestrzennego. Odsłonięty 26 czerwca 2018 na terenie Akademii Techiczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. Przedstawia poetkę Kazimierę Alberti.

Drukowanie przestrzenne, druk 3D (ang. 3D printing) – proces wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu. Początkowo była to jedynie jedna z metod szybkiego prototypowania używana zarówno do budowania form, jak i samych prototypów. Wraz z postępami dokładności wykonania obiektów przez drukarki 3D, stała się także metodą wykonywania gotowych obiektów, w tym zabawek, ubrań, czekoladek^[1], a nawet protez.

Historia

Pierwsza technika drukowania przestrzennego została opracowana w 1984 roku przez Chucka Hulla i opatentowana w 1986 roku jako stereolitografia (SLA). W tym samym roku Charles Hull założył firmę 3D Systems, która zajęła się komercyjną produkcją pierwszych drukarek 3D^[2]. W ramach 3D Systems opracowano stosowany do teraz format pliku STL, który jest używany do utworzenia pliku gcode^[3]przekazującego instrukcje drukarkom przestrzennym.

Kolejna technika wydruku – osadzanie topionego materiału (FDM) – została opracowana w 1988 roku przez Scotta Crumpa, który rok później założył firmę Stratasys, chociaż swoją pierwszą maszynę „3D Modeler” zaczęli sprzedawać w 1992 roku. W tym samym roku powstała także pierwsza drukarka stosująca technikę Selective laser sintering. Jest to technika dokładniejsza i dająca większą swobodę niż FDM.

W 2006 roku Adrian Bowyer zbudował pierwszy prototyp drukarki 3D z projektowanym przeznaczeniem dla użytkowników domowych. W ramach zainicjowanego przez niego projektu RepRap tworzone są kolejne modele drukarek 3D, które można złożyć i częściowo wytworzyć w domu. Docelowo drukarki te miałyby się same powielać. W roku 2013 zestaw do samodzielnego montażu drukarki RepRapPro Huxley kosztował ok. 430 USD, a z elementami, które można wydrukować samodzielnie ok. 540 USD.

Na początku XXI wieku rozpoczęły się prace nad zastosowaniem technik podobnych do wydruku 3D w medycynie. Z powodzeniem można już wytwarzać ściśle dopasowane protezy (w tym te wszczepiane w organizm^[4]), a nawet tkanki^[5], ale wyzwaniem pozostaje drukowanie całych organów^[6].

Zastosowania

Możliwości wykorzystania drukarek przestrzennych zależą głównie od metody wytwarzania produktu, dostępnych materiałów oraz częściowo kubatury urządzenia. W przypadku FDM na to jakie materiały można wykorzystać wpływa w dużej mierze temperatura do jakiej może się rozgrzać wytłaczarka i od jej budowy. W metodach, w których przedmiot jest cały czas zawieszony w innej substancji (jak w SLA, Selective laser sintering oraz Binder jetting), ograniczeniem jest też to, że nie można tworzyć zamkniętych przestrzeni z pustym wnętrzem. Natomiast na precyzję wykonania wpływa głównie dokładność pozycjonowania elementów sterujących oraz sam materiał z jakiego wykonywany jest przedmiot.

Rodzaje przedmiotów

Za pomocą różnego rodzaju drukarek 3D można wytworzyć:

• gotowe produkty z tworzywa sztucznego;
• produkty wymagające obróbki (szczególnie w FDM może być konieczne przycięcie łączników i kolumienek oraz wygładzenie powierzchni);
• inne przedmioty z topliwych materiałów w tym z czekolady czy metalu^[7];
• elementy innych przedmiotów;
• prototypy i inne produkty koncepcyjne;
• formy do wykonania właściwych elementów lub prototypów;
• w ograniczonej formie także różnego rodzaju tkanki;
• budynki.

Materiały

W domowych drukarkach przestrzennych używa się przede wszystkim tworzyw sztucznych takich jak: PLA, ABS,PET-G, PVA, nylon, Laywood (materiał drewnopodobny, kompozyt plastiku i drewna), Laybrick (kompozyt plastiku i gipsu). Drukarki przemysłowe i mniej typowe modele mogą używać innych materiałów np.: żywic, gumy czy też czekolady lub metalu, a nawet betonu, piasku, papieru czy nawet cukru^[8]. Trwają także prace nad możliwością druku 3D z grafenu^[9]. W pełni kolorowe modele można uzyskać dzięki technologii CJP (ColorJet Printing), w której materiał proszkowy, oprócz tego, że jest spajany lepiszczem, jest też barwiony tuszami CMYK^[8].

Rodzaje druku 3D

Obecnie dostępnych jest wiele metod wytwarzania addytywnego, które możemy określić mianem druku 3D. Różnią się one znacząco od siebie, oferują inne możliwości i mają odrębne dziedziny stosowania. Ogólnie ujmując druk 3D można podzielić ze względu na: oferowaną dokładność, materiał z którego budowane są detale, sposób nakładania materiału (naświetlanie, wyciskanie, stapianie), szybkość wykonywania elementów.

Najpopularniejsze rodzaje druku 3D^[10][11]:

• FDM (ang. Fused Deposition Modelling) – termoplastyczny materiał wyciskany przez dysze.
• MJP (ang. Multi Jet Printing) – napylany cienkimi warstwami fotopolimer utwardzany światłem UV.
• CJP (ang. Color Jet Printing) – gipsowy proszek barwiony tuszem (druk 3D w kolorach).
• DLP (ang. Digital Light Processing) – utwardzanie materiałów światłoczułych (fotopolimerów) za pomocą światła projektora.
• SLA (Stereolitografia) – żywice utwardzane są za pomocą lasera.
• SLS (ang. Selective Laser Sintering) – cienkie warstwy proszku budulcowego stapiane laserem.
• DMLS (ang. Direct Metal Laser Sintering) – proszki metali topione laserem dużej mocy. Druk 3D z metalu.
• Binder Jetting – proszki metaliczne lub proszki piasku są łączone za pomocą ciekłego spoiwa.

Zagrożenia

W doniesieniach prasowych pojawiły się spekulacje, że drukowanie przestrzenne mogłoby służyć do produkcji broni poza kontrolą prawa^[12]. Udaną próbę zbudowania broni z części powstałych poprzez drukowanie przestrzenne dokonała grupa Defense Distributed^[13]. Jednak drukarki dostępne dla użytkowników domowych nie pozwalają na drukowanie metalowych elementów, a tańsze urządzenia do obróbki metalu są dostępne od dawna. Wytwarzanie broni palnej bez zezwolenia jest nielegalne w większości krajów – niezależnie od narzędzi jakimi je wykonano. Ponadto urządzenia domowe wciąż są dalekie od wysokiej precyzji wykonania.

Część materiałów używanych w drukarkach FDM w czasie nagrzewania może wydzielać do powietrza szkodliwe i drażniące substancje. Materiałem takim jest na przykład ABS, który składa się z akrylonitrylu, butadienu oraz styrenu. Każda z tych substancji ma potwierdzone działania drażniące, są one szkodliwe dla układu nerwowego i dla układu oddechowego, oraz podejrzane są o działanie rakotwórcze^[14][15]. By zminimalizować ryzyko zachorowania zaleca się drukowanie materiałów zagrażających zdrowiu w odpowiednio przystosowanych do tego komorach lub w pomieszczeniach wietrzonych, w których regularnie nie przebywa człowiek ani zwierzę.

Zobacz też

• Druk.

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Portal technologii przyrostowych i baza Wiki.
• Opis techniki na stronie MIT (ang.).
• Strona oficjalna Fab@Home (ang.).
• Samouczek Fablab. fablab.waag.org. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-01-28)]. (ang.).
• Materiały polimerowe w przemysłowym druku 3D
• Szkła metaliczne: technologie dla technik generatywnych