Drukarka 3D - wszystko o tej nowej technologii

Druk 3D został wynaleziony i w części opatentowany już w latach 80., w postaci stereolitografii (SLA). Od lat 90. jest stosowany przez wojsko, branżę projektową w prototypowaniu modeli przemysłowych lub wykonywaniu makiet, a czasem także przez artystów. Dopiero niedawno został odkryty przez większe społeczności i od razu okrzyknięty przez media "trzecią rewolucją przemysłową" między innymi dzięki wygaśnięciu niektórych patentów.

Szybkie upowszechnienie i masowa produkcja tanich drukarek 3D spowoduje, że trafią niebawem "pod strzechy", umożliwiając domową produkcję lub kopiowanie przedmiotów zaprojektowanych samodzielnie lub przesłanych internetem, czy też gotowych darmowych modeli open source do pobrania np. z biblioteki serwisu www.thingiverse.com.

Drukarki 3D przeznaczone do zastosowań indywidualnych tworzą przedmioty, układając ultracienkie warstwy roztopionego plastiku, odtwarzające precyzyjnie kształt trójwymiarowego modelu matematycznego. Warstwa w tańszych drukarkach domowych ma 0,1 mm. W droższych urządzeniach jest jeszcze cieńsza i może mieć nawet 0,014 mm, co pozwala na tworzenie niezwykle precyzyjnych krzywizn.

Plastik stosowany w drukarkach 3D to taki sam materiał jak ten używany do produkcji klocków lego. Ma postać cienkiej taśmy, roztapianej w dyszy i "wypluwanej" jako kropelki o średnicy odpowiadającej mniej więcej grubości warstwy charakterystycznej dla danego urządzenia.

Tańsze drukarki mają jedną dyszę i umożliwiają wytwarzanie jednokolorowych przedmiotów. Droższe urządzenia mają 2, a nawet 4 dysze, które mogą być zasilane taśmami o różnych barwach. Najistotniejszym warunkiem uzyskania bezbłędnych i trwałych modeli jest precyzja, zwłaszcza że mikroskopijne błędy mogą nakładać się na siebie, tworząc w rezultacie zdeformowane bryły lub nietrwałe struktury.

Inną dostępną komercyjnie metodą, chociaż droższą i bardziej skomplikowaną w praktyce, jest Polyjet - utwardzanie za pomocą światła ciekłych fotopolimerów, na których powierzchni powstają warstwy modelu, tworząc bardzo precyzyjne szczegóły w miejscu styku promieni.

Pierwszym krokiem jest projekt. Jest do tego potrzebny edytor. W przypadku druku 3D musi to być program, który pozwala zaprojektować strukturę przestrzenną. Innym źródłem informacji dla drukarki 3D mogą być trójwymiarowe skanery, które analizują kształt obiektów i odwzorowują go w postaci opisu matematycznego. To w połączeniu z technologią druku 3D pozwala na klonowanie ich kształtu.

Drukarki komercyjne potrafią wytworzyć w założeniu prawie dowolny model w ramach swojej przestrzeni roboczej, pod warunkiem odpowiedniego przygotowania modelu w komputerze. Do obsługi większości urządzeń są dołączane proste aplikacje do obróbki 3D i przygotowania plików w formacie STL, czytanym przez drukarki.

Pliki takie można uzyskać na drodze konwersji obecnych formatów 3D, np. z programów CAD, Solid Edge, Autodesk 3DS Max, Maya, Blender, Solidworks itp. Gotowe modele 3D trzeba koniecznie zweryfikować przed wydrukowaniem i ewentualnie automatycznie poprawić, gdyż nie każdy projekt da się wydrukować, mimo że na ekranie komputera może wyglądać na bezbłędny.

W sieci są też inne, darmowe i bardziej lub mniej rozbudowane czy też wyspecjalizowane programy do weryfikacji modeli, ale także służące do ich tworzenia. Kilka można pobrać np. z www.shapeways.com lub www.cubify.com. Wykorzystując taki program, możesz bez większego doświadczenia w projektowaniu 3D puścić wodze fantazji, tworząc np. zabawki dla swoich dzieci, czy też przeznaczone do sprzedaży.

Głowicą drukarki steruje oprogramowanie CAM (Computer Aided Manufacturing), podobne do stosowanego w robotach przemysłowych. Głowica jest poruszana za pomocą serwomotorów, czyli silników, które przesyłają informacje  o swoim działaniu z powrotem do mikroprocesora, który prowadzi głowicę.

Płynny, rozgrzany plastik wyrzucany przez dyszę błyskawicznie twardnieje w temperaturze pokojowej. Dzięki temu po chwili można ułożyć na nim kolejną warstwę. Drukowanie 3D na obecnym poziomie rozwoju tej technologii jest procesem długotrwałym, przynajmniej w porównaniu do czasu potrzebnego na wydrukowanie, np. zdjęcia na drukarce atramentowej.W przypadku domowych urządzeń, wyprodukowanie obiektu o rozmiarach obudowy smartfonu zajmuje ok. 2 godzin.

Po zakończeniu drukowania przedmiot można poddać dalszej obróbce. Można go dodatkowo obrobić skrawaniem, usuwając nadmiarowy materiał albo pomalować.

Najbardziej oczywistym zyskiem z drukarki 3D jest możliwość wytworzenia przedmiotu bez wyspecjalizowanej linii technologicznej, złożonej z form i urządzeń do wtryskiwania plastiku. Zresztą drukarka pozwala na tworzenie wyrafinowanych kształtów, złożonych z siatki cienkich elementów, których nie da się uzyskać za pomocą maszyny wtryskowej.

Zaletą jest także niższa cena wytworzenia pojedynczego przedmiotu. Biorąc pod uwagę kalkulacje dla dużych profesjonalnych urządzeń, druk 3D jest bardziej opłacalny od masowej produkcji przy seriach poniżej 1000 sztuk.

Artykuł pochodzi z magazynu PC Format - numer 4/2013

Inną zaletą drukowania jest oszczędność materiałów. Drukarka zużywa dokładnie tyle plastiku, ile jest niezbędne do uzyskania kształtu. W produkcji przemysłowej znaczne straty surowców są nieuniknione.

Drukowanie 3D nie jest oczywiście technologią idealną, choćby ze względu na czasochłonność. Poza tym materiały muszą być specjalnie przystosowane do roztapiania w dyszy, więc są wielokrotnie droższe niż plastik do maszyny wtryskowej.

W warunkach domowych za pomocą drukarki 3D można wyprodukować rozmaite drobiazgi: samodzielnie zaprojektowaną biżuterię czy pęknięty element zabawki. Na drukarce można także wytwarzać elementy hobbystycznych konstrukcji, których darmowe plany bez problemu znajdziesz w sieci.

Obecnie ceny małych, gotowych do pracy po wyjęciu z pudełka drukarek "domowych" zaczynają się już od około 4 tysięcy złotych. Urządzenia te nie potrafią jednak drukować szybko i dokładnie, w dodatku mają ograniczenia w postaci małej przestrzeni roboczej oraz problemów z wykonaniem niektórych, mocno skomplikowanych kształtów.

Droższe rozwiązania są pozbawione tych wad - ich ceny są jednak dwu-, trzykrotnie wyższe. Podobnie jest w przypadku urządzeń drukujących z kilku materiałów jednocześnie, co umożliwia tworzenie modeli wielokolorowychlub elementów zaprojektowanych jako części urządzeń wymagających zróżnicowanych parametrów mechanicznych albo wzmacniających ich wewnętrzną strukturę.

Wspólną cechą tych urządzeń za przystępne ceny jest nadal bardzo czasochłonny proces drukowania. W przypadku modeli wypełniających większość przestrzeni roboczej potrafi trwać wiele godzin.

Oferta rynkowa drukarek 3D jest całkiem bogata, wliczając w to np. opensource’owe i w tej chwili najtańsze rozwiązania typu RepRap, czyli oparte na idei samodzielnej budowy urządzeń, które można wydrukować w dużej części za pomocą innej drukarki (www.reprap.org, www.mojreprap.pl). Inne liczne projekty, które się zmaterializowały jako produkty komercyjne, można znaleźć pod adresami (www.deltamaker.com, www.formlabs.com, www.robo3dprinter.com).

Producentów drukarek komercyjnych "na biurko", będących w zasięgu portfela tzw. domowego użytkownika, jest już również dość dużo. Niektórzy z producentów światowych mają już swoich dystrybutorów w Polsce, jednak ceny jak na nasz rynek nie są jeszcze zachęcające.

Małe firmy mogą użyć drukarek do przygotowania prototypów własnych produktów w celu pokazania klientom, by zachęcić ich do zamówienia większej serii. Z drukarek będą mieć pożytek także projektanci, którzy dzięki tej technologii przygotują efektowne makiety swoich pomysłów.

Z wydrukami 3D coraz częściej będziemy się także stykać korzystając z usług medycznych. Coraz więcej protez dentystycznych, implantów i innych akcesoriów medycznych jest wytwarzanych właśnie w ten sposób, gdyż pozwala to precyzyjnie dostosować ich kształt do warunków anatomicznych pacjenta. Drukarki torują sobie także drogę do szkół i uczelni, gdyż sprawdzają się jako pomoc dydaktyczna na zajęciach technicznych.

Największa przemysłowa drukarka komercyjna pod względem kubatury wydruku to obecnie model Objet1000, z możliwością wydruku elementów z różnych materiałów o wymiarach 100x80x50 cm. Można wydrukować na niej np. metalową ramę roweru w jednym kawałku. Jednak drukarki przemysłowe, umożliwiające szybki druk dużych lub bardzo wiernych modeli, kosztują od kilkudziesięciu tysięcy dolarów do nawet wielu milionów w przypadku urządzeń do produkcji modeli np. z metali, nawet z tytanu.

Możliwość wytwarzania przedmiotów przemysłowych w warunkach domowych rozpala wyobraźnię. Nie brakuje opinii porównujących drukowanie 3D do takich wynalazków, jak ruchoma czcionka i druk, maszyna parowa czy tranzystor. Każda z tych technologii zapoczątkowała serię rewolucyjnych zmian, które odmieniły całe społeczeństwa.

Czy w tym wypadku też tak będzie? Zamiast kupować smartfon, pobierasz jego model, a domowa maszyna wielkości zmywarki buduje gotowy produkt. Bez fabryki, zatrudnionych w niej ludzi i całej machiny logistycznej.

Ta wizja jest odległa, ale kto w latach 50. potrafił sobie wyobrazić, że tranzystory, wówczas wielkości paznokcia, będą w milionach sztuk upakowane w miniaturowych układach scalonych, które z kolei będą mózgami takich urządzeń jak ipad? Poza tym drukowanie opatentowanych przedmiotów to zupełnie nowy etap w historii piractwa.

Najnowszy numer magazynu PC Format - 5/2013 już w kioskach. Zobacz jego spis treści

------

1. REPRAP

Opensource’owy projekt kilku urządzeń do zastosowań hobbystycznych i edukacyjnych. Można je zbudować samemu, także za pomocą części wydrukowanych na drukarce 3D. Wiele firm oferuje urządzenia opracowane na podstawie tych planów. Cena: 600-2000 dol.www.reprap.org

2. CUBE

Niewielka drukarka 3D do zastosowań domowych. Pozwala tworzyć przedmioty o wymiarach boku do 14 cm. Za pomocą jednego kartridża (50 dol.) można wydrukować ponad 10 rzeczy, typu obudowa do smartfonu. Cena: 1400 dol.http://cubify.com

3. REPLICATORŚredniej wielkości domowa drukarka 3D. Można z jej pomocą wydrukować obiekty o wielkości 28x15x15 cm z rozdzielczością dochodzącą do 0,1 mm. Jedna szpula z plastikiem (50 dol.) pozwala na wydrukowanie obiektów o łącznej masie 1 kg. Cena: 2200 dol.www.makerbot.com

Bartłomiej Mrożewski, Jakub Bauke, Karol Kulas