Trojrozmerná tlačiareň

3D tlačiareň

Trojrozmerná tlačiareň alebo 3D tlačiareň je zariadenie, ktoré dokáže vytvoriť trojrozmerný (3D) objekt na základe digitálnych 3D dát. Tento proces sa nazýva 3D tlač.

3D tlač je aditívny spôsob výroby, kedy postupným nanášaním a spájaním materiálu vo vrstvách vzniká požadovaný objekt a zároveň pri ňom nevzniká nijaký, alebo len minimálny odpad. V súčasnosti je využitie 3D tlače rozdelené do niekoľkých oblastí a to hlavne na základe použitej technológie. Priemyselné tlačiarne sa používajú na vytváranie prototypov alebo malých sérií výrobkov, v medicíne sú to rôzne typy protéz a implantátov alebo domáce hobby tlačiarne na výrobu plastových predmetov. Výhodou 3D tlače je možnosť vytvoriť objekty, ktoré sa klasickými technológiami - napr. obrábaním, nedajú vyrobiť (vnútorné dutiny, porézne výplne a pod.).

Dejiny

Začiatky 3D tlače siahajú do druhej polovice 20. storočia, keď si Charles Hull nechal v roku 1984 patentovať technológiu stereolitografie. V 90. rokoch Charles Hull so svojou firmou vytvoril prvé zariadenie schopné tlačiť v 3D formáte, SLA-1 (ktoré sa vtedy ešte nenazývalo 3D tlačiareň). 3D Systems si dlho udržala vedúcu pozíciu na trhu a do roku 1996 predala cez 600 rôznych prístrojov SLA.

V roku 1993 Massachusetts Institute of Technology patentoval technológiu, ktorá pracovala s práškovým materiálom a tekutým spojovačom. Licenciu na túto technológiu kúpila firma Z Corporation, a na jej báze začala vývoj 3D tlačiarní ako takých. Pojem 3D tlačiareň teda pochádza z 90. rokov.

Princíp činnosti

3D tlačiareň podľa digitálnej predlohy objektu vytvorenej pomocou CAD programu vytvorí jej hmotnú kópiu. Existuje veľké množstvo technológií 3D tlače, najpoužívanejšie sú:

Stereolitografia (SLA)

Je to jedna z najstarších technológií. Používa sa pri nej fotopolymér, čo je plast citlivý na svetlo, ktorý po ožiarení najčastejšie UV žiarením spolymerizuje a stuhne. Následne tlačová plocha klesne a proces pokračuje ďalšou vrstvou. Ožiaria sa len tie miesta, na ktorých má materiál stuhnúť a tým vytvoriť požadovaný produkt. Po dokončení tlače sa tekutý materiál odstráni. Výsledný produkt je veľmi hladký, nevýhoda je ale pomalá rýchlosť tlače a problematická tlač vertikálnych štruktúr.

Selective Laser Sintering (SLS)

Táto metóda je podobná ako stereolitografia, ale spevňuje sa práškové médium. Výhodou je možnosť opätovného použitia nespotrebovaného prášku. Ďalšie výhody sú, že spektrum lasera môže byť aj viditeľné svetlo (nie iba UV ako pri stereolitografii) a k dispozícii je široké spektrum materiálov: plasty, kovy, keramika.

Laminated Object Manufacturing

Využíva tenkú plastovú fóliu, z ktorej sa výsledná vrstva produktu vyreže a prilepí lepidlom k ostatným vrstvám. Nevýhodou je až 50-percentný podiel odpadného materiálu proti materiálu produktu.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Používa priame nanášanie materiálu roztavením v tlačiacej hlave a nanášaním bod po bode. Trojrozmerný model vytvorený v 3D modelovacom softvéri sa v tzv. sliceri pretransformuje podľa zadaných parametrov (napr. hrúbka vrstvy, priemer trysky) do dvojrozmerných plôch, ktoré predstavujú rezy - vrstvy modelu. V jednotlivých plochách je rez rozložený do čiar, ktoré potom vykresľuje tryska tlačiarne roztaveným plastom. 3D tlačiareň postupne ukladá vrstvy na seba. Keďže plast je roztavený, zlepí sa s vrstvou pod sebou, resp. s čiarou vedľa seba, čím vznikne homogénne teleso.

Ako vstupný materiál sa používa plastové vlákno definovanej hrúbky 3D filament z rôznych druhov termoplastov. Je to najrozšírenejšia forma 3D tlače využívaná v open-source. Na rozšírení tohoto typu tlačiarní mal nemalú zásluhu Adrian Bowyer, ktorý v roku 2008 dokázal pomocou 3D tlačiarne vytlačiť základ novej 3D tlačiarne a svoje dizajny následne uvoľnil ako pod názvom RepRap.

Powder Bed and Inkjet Head

Technológia 3D tlače pri ktorej sa vrstvy prášku (sadrový kompozit) postupne spájajú lepidlami na báze živíc. Výhodami sú napríklad rýchlosť výroby a možná plnofarebnosť objektu v kompletnej škále CMYK. Za nevýhody môžu byť považované krehkosť materiálu či potreba postprodukcie objektu.

Používané materiály

Často používané materiály sú plasty ABS (Akrylonitrilbutadiénstyrén) a PLA (polylaktid), sadrový kompozit, fotopolymér a polyamid.

Plast ABS

ABS je základným materiálom pre 3D tlač. Práca s ním je jednoduchá, pretože nevyžaduje tak presné nastavenie pracovnej teploty ako ostatné materiály. Doporučuje sa však pre objekty s maximálnym rozmerom 8 cm. Vždy však záleží aj od tvaru a geometrie objektu, ktorý je tlačený.

Plast PLA

PLA je biologicky rozložiteľný plast a asi najuniverzálnejší dostupný materiál. Nemá takmer žiadne sklony ku skrúcaniu sa a preto ho možno použiť aj k tlači väčších objektov. Je vyrobený z prírodných materiálov a umožňuje úplnú recykláciu.

Sadrový kompozit

Kompozit na báze sadry je pomerne krehký materiál a preto si po tlači vyžaduje postprodukciu. Medzi základné spôsoby postprodukcie patrí finalizácia vodou, horkou soľou, lepidlom, epoxidom či voskom. S kompozitom je možné tlačiť aj plnofarebne.

Fotopolymér

Z fotopolymérov na akrylovej báze sa dajú vytvoriť ako pevné, tak aj ohybné objekty s mimoriadne vysokým detailom. Je určený pre tlač malých objektov s vysokým rozlíšením tlače. Nevýhodou je nutnosť oplachu zvyškového materiálu a následné doplnkové vytvrdzovanie UV svetlom.

Polyamid

Polyamid je trvácny plastový materiál využívajúci sa pri už spomínanej technológii SLS.

Iné

Ďalšími materiálmi, ktoré sa využívajú pri 3D tlači sú napríklad živica, vosk, keramika, papier, kov (oceľ, mosadz, striebro, bronz, zlato či titán), ale aj proteíny, karbohydráty a cukry používajúce sa pri 3D tlači potravín či dokonca bunky pri 3D tlači biologického tkaniva.

Využitie

3D tlač bola vyvinutá ako technológia prototypovania, čiže prípravy na sériovú výrobu. Medzi najčastejšie využitie 3D tlače dnes patrí prototypovanie, vzdelávanie, výskum, vývoj, výroba a propagácia v nasledovných oblastiach:

• strojárstvo
• stavebníctvo, architektúra a urbanizmus
• reality
• dizajn a umenie
• modelárstvo
• marketing, reklama a predaj
• archeológia a múzejníctvo
• veda
• medicína
• farmaceutický priemysel
• filmový priemysel
• automobilový priemysel
• elektrotechnický priemysel
• odevný priemysel
• potravinársky priemysel
• a iné

Príklady využitia

Medicína

Začiatkom roku 2014 britský chirurg Craig Gerrand oznámil úspešný zákrok, pri ktorom nahradil rakovinou poškodenú panvu pacienta titánovým „výtlačkom“ a voperoval ju pacientovi. Náhradu vytvoril z titánového prášku premeneného na pevnú hmotu pomocou laseru. Titánovú časť panvy potom pokryl minerálom, do ktorého môže pôvodná kosť pacienta vrásť a spojiť sa s umelou náhradou.

Ďalším podobným použitím 3D tlače v medicíne je náhrada lebečnej fraktúry a deformácie u Stephena Powera z waleského Cardiffu, ktorý utrpel devastačné zranenia tváre v dôsledku motocyklovej havárie v septembri 2012. Mal zlomené obe lícne kosti, čeľusť a nos. Zranenia boli rozsiahle a mali za následok aj posunutie oka, pričom štandardné postupy rekonštrukcie a operácií nemohli byť prevedené, pretože hrozilo poškodenie oka alebo očného nervu. Prípadu sa ujali vedci z Centra aplikovaných technológií rekonštrukčnej chirurgie pod vedením Adriana Sugara. Belgickí špecialisti za použitia 3D modelingu dotvorili chýbajúce a poškodené kostné časti s presnosťou na desatiny milimetra a vyhotovili výtlačok z titánového prášku.

Umenie

V roku 2005 sa v akademických kruhoch začalo hovoriť o možnom použití 3D tlače v umení. O dva roky neskôr médiá pokračujú článkom v denníku Wall Street Journal a Time Magazine, kde ukazujú 3D vytlačené počiny medzi stem najlepších designov roka. Počas London Design Festival v roku 2011 bola 3D tlače v umení venovaná dokonca celá inštalácia vo V & A (Victoria and Albert Museum). Inštalácia bola pomenovaná Industrial Revolution 2.0 : How the Material World will Newly Materialize.

Časť z nedávneho vývoja 3D tlače bola odhalená počas 3DPrintshow v Londýne, ktorá sa konala v novembri 2013 a 2014. Umelecká expozícia obsahovala vytlačená diela z plastu i kovu. Niekoľko umelcov, ako je Joshua Harker, Davide Prete Sophie Kahn, Helena Lukášová, Foteini Setaki ukázali, ako 3D tlač môže zmeniť estetické a umelecké postupy.

Stavebníctvo

Začína sa experimentovať aj s 3D tlačou pre stavanie domov a budov. Venuje sa tomu napríklad americká firma Apis Core alebo startup Icon, ktorý sa snaží o tlač nízkonákladových domčekov v chudobných oblastiach Latinskej Ameriky. Medzi ďalšie spoločnosti, ktoré sa 3D tlačou budov zaoberajú, patrí tiež čínska firma WinSun, ktorá má v Šanghaji obrie 3D tlačiareň s výškou 20 metrov, šírkou 10 m a dĺžkou dokonca 40 metrov.

Spotrebný tovar

Aktuálnym trendom v tomto odbore je tlač nielen surovín, ale už aj celého pokrmu. Tento projekt rozvíja aj NASA. Astronauti by sa mali dostať k chutnému, výživné a ľahko pripraviteľnému jedlu. Predpokladá sa využitie niekoľkých náplňou, ktoré sa na seba postupne navrství až do konečnej podoby.

Na konferencii CES (Veľtrh spotrebnej elektroniky) 2014 Avi Reichental predstavil typy tlačiarní, ktoré laickej verejnosti vytlačia cukrovinky kdekoľvek. Tieto tlačiarne používajú na tlač čokoládu či cukor naplnený vanilkovú, mentolovou alebo melónovou príchuťou. Zaujímavosťou je, že vďaka nanášanie vrstvy za vrstvou je možné dosiahnuť tvarov, ktoré by sa v klasickej gastronómii neobjavili.

Veľkostné extrémy

Výskum na Technische Universität Wien odhalil, že je možné vytlačiť aj objekty v nanometrových veľkostiach. Vedci použili tekutú živicu a laserový lúč v spojení s pohyblivými zrkadlami.

Druhým extrémom sú stavby vytvorené 3D tlačou. Takto „vytlačené“ domy majú nesporné výhody oproti domom klasickým. Napríklad v čase stavby, kedy 3D tlačiarni stačí rekordných 20 hodín na uskutočnenie projektu. Ďalej tiež ušetrenie prevádzkových nákladov, vzhľadom k počtu ľudí vykonávajúcich stavbu. Čínska firma WinSun v jednom dni vytlačila 10 jednoposchodových domčekov. Použili pri tom tlačiareň s rozmermi 10 metrov na výšku a 6,6 metra na šírku.

Budúcnosť

Na základe súčasného dopytu a rýchlosti vývoja 3D tlače sa predpokladá jej veľký rozvoj. Vedci a inžinieri okrem zdokonaľovania súčasných technológií plánujú tlačiť ľudské tkanivo a orgány alebo v NASA plánujú „tlačiť“ jedlo vo vesmíre.

Iné projekty

Commons

• Commons ponúka multimediálne súbory na tému Trojrozmerná tlačiareň