Komputer lub dom z drukarki? To nie bajka

Praktycznie większość z nas zetknęła się ze zjawiskiem komputerowego druku. Drukarki są urządzeniami powszechnie stosowanymi w biurach i domu. Ograniczeniem jednak obecnie stosowanych urządzeń jest możliwość odwzorowania powstającego obrazu rzeczy na płaskim dwuwymiarowym podłożu, np. papierze itp. Jednak przez wiele lat marzeniem konstruktorów była możliwość odtworzenia przedmiotów, czyli brył przestrzennych.

Obecnie technologia drukowania przestrzennego 3D staje się bardziej powszechna i - co ważniejsze - jest też coraz tańsza, a ta wiadomość prowadzi do konkluzji, że drukarki 3D będą mogły zagościć w każdym gospodarstwie domowym. To nie jest fantastyczna przyszłość, ale obecna rzeczywistość. Istnieje jeszcze jedna istotna nadzieja wiązana z technologią druku 3D, a mianowicie precyzja odwzorowania komputerowego modelu, co ma ogromne znaczenie w takich dziedzinach jak medycyna, nauka itp.

Jakiś czas temu świat obiegła informacja, że pewnemu pacjentowi amerykańscy lekarze wszczepili implant, który zastąpił 75 proc. jego czaszki. Nie byłoby w tym nic dziwnego, gdyby nie fakt, że implant powstał jako wydruk z drukarki 3D. Historia druku 3D zaczyna się w latach 80. ub. w. Opatentowano wówczas tzw. stereolitografie (SLA), czyli proces addytywnej (powstanie przedmiotu przez nakładanie kolejnych warstw) produkcji elementów i znalazła ona zastosowanie w przemyśle do tworzenia prototypów modeli podzespołów dla maszyn.

Aby stworzyć materialny przedmiot np. z modelu matematycznego lub innego wzorca, stosowane są metody mechaniczne typu skrawanie lub toczenie, polegające na zdejmowaniu kolejnych warstw materiału aż do uzyskania kształtu przedmiotu dokładnego z modelem wzorcowym. W drukarkach 3D stosuje się generalnie podobną zasadę powstawania bryły, jednak zasadnicza różnica polega na tym, że przedmiot powstaje w wyniku nakładania na siebie kolejnych warstw specjalnego roztopionego tworzywa, które pod wpływem czynników zewnętrznych bardzo szybko ulega utwardzeniu.

Dzięki temu płynny plastik odtwarza bardzo precyzyjnie trójwymiarowy kształt 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 wyrzucanej w kształcie kropli.

Drukarki tańsze i mniej zaawansowane 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. 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. W czasie procesu druku głowica drukarki porusza się w trzech wymiarach, sterują nią specjalne silniki, zwane serwomotorami. Nad całością panuje oprogramowanie CAM (Computer Aided Manufacturing). Szybkość tworzenia przedmiotu jest procesem dość długotrwałym w porównaniu z szybkością pracy drukarek dwuwymiarowych.

Co ważne, tworzywo, z jakiego powstaje przedmiot, można z kolei poddać dalszej obróbce mechanicznej, np. polerowaniu lub szlifowaniu powierzchni. Zanim powstanie wierna kopia bryły, potrzebny jest projekt, czyli model matematyczny. Stworzenie modelu matematycznego wymaga odpowiedniego oprogramowania; np. programów do projektowania CAD lub CAM, które pozwalają zaprojektować strukturę przestrzenną. Innym sposobem może być przeniesienie przestrzennego obrazu za pomocą urządzeń, np. trójwymiarowych skanerów, które po analizie kształtu obiektu potrafią stworzyć jego matematyczny obraz.

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 czytanym przez drukarki.

Źródłem mogą być również gotowe projekty przestrzenne, które muszą być przetworzone na odpowiednie pliki; np. można je stworzyć na drodze konwersji z obecnych formatów 3D, z programów CAD, Solid Edge, Autodesk 3DS Max itp. W internecie można znaleźć mniej lub bardziej zaawansowane oprogramowanie, także darmowe, do weryfikacji modeli lub do tworzenia modeli 3D.

Przykład z drukowaniem owoców może budzić duże wątpliwości, ale faktem jest, że możliwości zastosowania tego typu urządzeń w domu z dużym pożytkiem jest całkiem sporo. Na przykład stworzenie kopii kluczy lub zrobienie kopii przedmiotów, na których szczególnie nam zależy. Można również zaprojektować własny futerał, tzw. plecki do telefonu. Do bardziej wyrafinowanych czynności możemy zaliczyć zaprojektowanie własnej biżuterii, zabawek czy też ozdób choinkowych lub świątecznych.

Na drukarce można także wytwarzać elementy hobbystyczne i wiele innych. Jeżeli braknie nam własnych, możemy poszukać pomysłów i inspiracji w internecie, gdzie znajdziemy ich liczne przykłady. Obecnie możliwości gotowych do pracy po wyjęciu z pudełka drukarek domowych są ograniczone, nie potrafią 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 wielokolorowych lub elementów zaprojektowanych jako części urządzeń wymagających zróżnicowanych parametrów mechanicznych albo wzmacniających ich wewnętrzną strukturę. Wspólną cechą tych urządzeń jest bardzo czasochłonny proces drukowania. W przypadku modeli wypełniających większość przestrzeni roboczej potrafi trwać wiele godzin.

Druk 3D znajdzie bardzo szerokie zastosowanie w medycynie, i to nie tyko w implantologii, ale innych dziedzinach. Coraz więcej protez dentystycznych, implantów i innych akcesoriów medycznych jest wytwarzanych właśnie w ten sposób, ponieważ pozwala to precyzyjnie dostosować ich kształt do warunków anatomicznych pacjenta.

Drukarki mają ogromną przyszłość w edukacji w szkołach i uczelniach, gdyż sprawdzają się jako pomoc dydaktyczna na zajęciach technicznych. Najbardziej oczywistym zyskiem z drukarki 3D jest możliwość wytworzenia przedmiotu bez wyspecjalizowanej linii technologicznej, złożonej z form i urządzeń do wtryskiwania plastiku.

Sama drukarka pozwala na tworzenie wyrafinowanych kształtów, których nie da się uzyskać za pomocą maszyny wtryskowej. Dużą zaletą druku 3D w stosunku do innych technik obróbki mechanicznej jest niższa cena wytworzenia pojedynczego przedmiotu. Biorąc pod uwagę kalkulacje dla dużych profesjonalnych urządzeń, druk 3D jest bardziej opłacalny od masowej produkcji. 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 długi czas powstania przedmiotu. Poza tym materiały używane do druku muszą być specjalnie przystosowane do roztapiania w dyszy, więc są wielokrotnie droższe niż plastik do maszyny wtryskowej.

Artur Król