Druk 3D jest procesem polegającym na wytwarzaniu obiektów na podstawie komputerowych modeli w trzech wymiarach przestrzennych. Druk trójwymiarowy pierwotnie był przeznaczony do szybkiego wykonywania prototypów różnych elementów oraz form, w których mogły być one odlane. Postęp technologiczny i rozpowszechnienie się drukarek 3D na rynku sprawiły, że możliwe jest także wykonywanie gotowych produktów, w tym elementów elektronicznych i mechanicznych.

Sam proces drukowania w skrócie przedstawia się następująco: oprogramowanie dzieli przedmiot na warstwy o grubości maksymalnie jednej dziesiątej milimetra. Może ich być – w zależności od wielkości danego przedmiotu – tysiąc, kilka tysięcy, a nawet kilkadziesiąt tysięcy. Wnętrze drukarki wypełnione jest materiałem, z którego ma być wykonany dany przedmiot. Budulec zależy od wymagań – może być to wapno, plastik, a nawet różne formy materiałów wytrzymałych na wstrząsy czy uszkodzenia, w tym tytan czy włókno węglowe. Głowice natryskują w materiał odpowiednie barwniki oraz utwardzacz, który wiąże sproszkowany materiał.

Garść historii

Pierwsza technologia drukowania przestrzennego została opracowana w 1984 roku przez Charlesa Hulla, założyciela firmy 3D Systems, i opatentowana dwa lata później jako stereolitografia (Stereolithography Apparatus – SLA). W 1992 r. firma ta wyprodukowała pierwszą komercyjną drukarkę 3D wykorzystującą technologię SLA, która pozwalała na tworzenie stosunkowo skomplikowanych prototypów. W 1988 roku opracowano technikę wykorzystującą osadzanie topionego materiału (FDM), a w 1992 roku skonstruowano pierwszą drukarkę korzystającą z techniki selektywnego spiekania laserowego (ang. Selective Laser Sintering – SLS) polegającej na nakładaniu cienkich warstw materiału, a następnie utwardzaniu ich w wybranych punktach przez wiązkę lasera. W związku z tym, że obiekty zawieszone są w sproszkowanym materiale, możliwe jest drukowanie bardziej skomplikowanych kształtów niż w przypadku SLA. Pierwsze drukarki mające być urządzeniami domowymi zostały skonstruowane przez Adriana Bowyera w 2006 roku. Kolejne modele zaprojektowanego przez niego urządzenia zostały wykonane dzięki projektowi RepRap, który zakładał zbudowanie samoreplikujących się drukarek. Był to początek rewolucji w druku przestrzennym. Sprzedaż drukarek 3D z roku na rok wzrasta – analiza ostatnich 27 lat wskazała, że wzrost ten utrzymuje się na poziomie 26% r/r. Drukarki 3D nieco powtarzają drogę, jaką wcześniej przeszły komputery – początkowo były to wielkie maszyny używane przez agencje rządowe, potem przez duże firmy, z czasem zaś sprzęt ten stawał się coraz mniejszy, coraz szybszy i coraz tańszy, a co za tym idzie – dostępny dla każdego. Ceny pierwszych komercyjnych maszyn do druku przestrzennego zaczynały się od 150 tys. dolarów (czyli około 600 tys. zł); obecnie sprzęt renomowanych firm można kupić nawet za 2 tys. zł. Przyjęło się uważać, że granicą cenową rozróżniającą urządzenia konsumenckie od profesjonalnych jest kwota 5 tys. dolarów (ok. 20 tys. zł).

Wszyscy sięgają po druk 3D

Drukarki 3D są wykorzystywane w coraz większej liczbie branż przemysłowych i usługowych. Elementy wykonane w procesie druku przestrzennego są chętnie stosowane w medycynie i stomatologii. Pierwsze udane próby wykorzystania tej technologii w medycynie miały miejsce w 1999 roku. Stworzono skafold (rusztowanie), który pokryty komórkami własnymi pacjenta służył w leczeniu przerostu pęcherza moczowego. W 2002 roku naukowcy opracowali miniaturową nerkę zdolną do filtracji krwi oraz produkcji rozcieńczonego moczu u zwierząt.

Medycyna ewoluuje wraz z postępem technologii druku 3D i lekarze wraz z inżynierami obecnie są w stanie tworzyć indywidualnie dopasowane implanty i protezy. Ich drukowanie zajmuje też mniej czasu niż w przypadku stosowania dotychczasowych technik wytwarzania, co znacznie skraca czas oczekiwania pacjentów i podnosi komfort ich życia. Poza tym opracowano nowe biozgodne materiały, które pomagają organizmowi odbudować tkankę na wydrukowanym rusztowaniu, co niesie duże możliwości dla regeneracji tkanek i wypełniania ich ubytków.

Medycyna korzysta z zalet druku przestrzennego do tworzenia modeli narządów, dzięki którym możliwe staje się dokładne zaplanowanie operacji, co usprawnia jej przebieg i zmniejsza ryzyko błędów. Jednak największe możliwości zastosowania druku 3D w medycynie wiążą się ze sztucznymi narządami. Przez lata naukowcy marzyli o zaprojektowanych nerkach, wątrobach oraz innych organach i tkankach wyhodowanych w laboratoriach, dzięki którym pacjenci potrzebujący transplantacji nie będą musieli czekać na dawcę. Otrzymanie tkanek w laboratoriach jest wprawdzie bardzo trudne, ale drukarki 3D, które jako budulca używają ludzkich komórek, przyniosły nadzieję na powodzenie przedsięwzięcia. Wytwarzanie addytywne oprócz tego, że budzi entuzjazm jako ułatwienie życia codziennego i świetna rozrywka, może także ratować ludzkie życie.

Druk 3D zadomowił się również w architekturze i budownictwie. W drukarkach 3D powstają makiety architektoniczne pojedynczych elementów lub nawet całych osiedli mieszkalnych. Niektórzy posuwają się dalej i stosując druk przestrzenny, budują domy i inne obiekty. W 2014 roku chińska firma Shanghai WinSun Decoration Design Engineering wykorzystała technologię Contour Crafting i wybudowała, a raczej wydrukowała osiedle składające się z 10 domów. Każdy z nich ma powierzchnię 200 m2 i kosztował (sama bryła budynku) tylko 4800 dolarów, a powstał w zaledwie kilka godzin (wszystkie 10 domów wydrukowano w ciągu jednej doby). Jako filament (tworzywo służące do druku 3D) wykorzystano cement wzmacniany włóknem szklanym – jeden z 77 patentów tej firmy na materiały konstrukcyjne – po części wyprodukowany z odpadów przemysłowych.

Drukarki 3D pojawiły się także w kuchni. Możliwość drukowania jedzenia jest bardzo interesującą opcją do wykorzystania w kosmosie czy w misjach wojskowych. Pierwsze (udane) próby drukowania jedzenia na zlecenie NASA w 2013 roku przeprowadziła firma Anjan Contractor. Drukarka opracowana przez tę firmę drukowała czekoladę, a nawet pizzę. Z czasem na rynku zaczęły się pojawiać drukarki, które potrafią drukować cukierki, ciastka, a nawet potrawy z mięsa. Technika drukowania jedzenia wymaga wciąż dużego udziału człowieka (m.in. przy wymianie dozowników), ale doświadczenie pokazuje, że technologia ta szybko się rozwija i z czasem na pewno stanie się bardziej „samodzielna”.

Samochody z drukarki

Dziedziny, w których zastosowanie znajdują drukarki 3D, mnożą się: modelarstwo, branża reklamowa, jubilerstwo, edukacja, branża meblowa, odzieżowa itd. Technologie druku przestrzennego od początku są też wykorzystywane w dziedzinach związanych z produkcją elementów mechanicznych. Konwencjonalne metody obróbki ubytkowej, polegające na wytwarzaniu elementów metodą usuwaniu zbędnego materiału, wiążą się ze stratami, natomiast druk 3D zużywa dokładnie tyle materiału, ile potrzeba do stworzenia danego elementu, co obniża koszty produkcji.

Koncerny motoryzacyjne współpracują z firmami działającymi na rynku 3D w celu ograniczenia czasu wytwarzania elementów konstrukcyjnych. Volvo dzięki drukowi 3D skróciło czas oczekiwania na zestaw metalowych narzędzi do montowania modeli samochodów aż o 94%, a Fordowi druk 3D posłużył do zmniejszenia ilości czasu prototypowania Forda Mustanga aż 30-krotnie i obniżenia kosztów 166-krotnie. Ford jest zresztą pionierem w wykorzystaniu technologii druku przestrzennego w swoich samochodach. Producent ten kupił drukarkę 3D już w 1988 roku, a była to trzecia z kolei maszyna wyprodukowana na całym świecie. Od tego czasu firma stworzyła 500 000 części 3D, a ostatnią z nich była pokrywa silnika dla nowego modelu Mustanga.

Także Volkswagen w swojej fabryce korzysta z technologii druku 3D i drukuje narzędzia oraz części samochodowe. Z metalowego proszku spiekanego za pomocą lasera wytwarzane są prototypowe części montażowe, np. blokujące pokrywę silnika, oraz elementy, których złożoność kształtu uniemożliwiała dotąd wykonanie metodami tradycyjnymi. Również Opel korzysta z drukowanych narzędzi na linii montażowej, notując dzięki temu zmniejszenie kosztów produkcji o 90%, a wagi o 70%, nie wpływając przy tym na właściwości wytrzymałościowe.

Najszybszy samochód na świecie, czyli szwedzki One:1, korzysta z wydrukowanych z tytanu rur wydechowych. Dzięki temu zabiegowi twórcy uzyskali zmniejszenie ciężaru pojazdu o 400 gramów, co w stosunku do całkowitej wagi 1360 kilogramów wydaje się być niewielką liczbą, jednak przyczynia się do utrzymania stosunku mocy do wagi 1:1 (1360 koni mechanicznych: 1360 kilogramów), od którego samochód zaczerpnął swoją nazwę.

Drukowanie pojedynczych części i zespołów samochodów to już niemal powszechna praktyka. W drukarkach 3D powstają wirniki pomp, obudowy lusterek, wloty powietrza, deski rozdzielcze, zaślepki itd. Doszło już jednak także do prób drukowania całych samochodów. Pierwszy był Kanadyjczyk Jim Kor, który zaprojektował i w 2013 roku stworzył trójkołowy ekologiczny pojazd o nazwie Urbee z karoserią w całości wytworzoną w drukarce 3D. Urbee ma mały, jedynie ośmiokonny, jednocylindrowy silnik, co jednak pozwala mu rozwinąć prędkość maksymalną 110 km/h.

Dalej poszli amerykańscy inżynierowie z Chicago. W 2014 roku zaprezentowali oni samochód o nazwie Strati, który ma mniej niż 50 części, a drukarka 3D warstwa po warstwie stworzyła go w mniej niż dwa dni. Prototyp auta wyposażono w elektryczny silnik. Pojazd może rozwinąć maksymalną prędkość 60 km/h, a będzie kosztował od 18 do 30 tys. dolarów.

Podobne samochody, w mniejszym lub większym stopniu wykorzystujące w swojej konstrukcji technologie druku 3D, są prezentowane co roku na wszystkich targach motoryzacyjnych. Na razie produkcja addytywna jest dość kosztowna i nadaje się do tworzenia prototypów lub małych serii, można jednak być pewnym, że z czasem koszty materiałów, jak i samego druku będą spadać, a co za tym idzie – obniżać koszty produkcji samochodów.

Druk 3D w przestworzach

Możliwości druku 3D dostrzeżono również w branży lotniczej i astronautycznej. NASA chce drukować nie tylko jedzenie z myślą o wykorzystaniu go w długich misjach kosmicznych, np. na Marsa. Inżynierowie tej najbardziej znanej na świecie agencji kosmicznej użyli technologii druku 3D, aby wytworzyć pierwszą pełnowymiarową część komory spalania silnika rakietowego. Została ona wykonana z wykorzystaniem technologii SLM (ang. Selective Laser Melting) z miedzi i jest zdolna do pracy w ekstremalnych warunkach temperaturowych oraz ciśnieniowych. Fakt stworzenia tego rodzaju elementu z wykorzystaniem technologii przyrostowych jest bez wątpienia kamieniem milowym w produkcji części statków kosmicznych, a NASA wiąże z tym duże nadzieje. Możliwość tworzenia wytrzymałych części z wykorzystaniem technologii druku 3D podczas długich misji kosmicznych (w tym na wspomnianego Marsa) pozwoliłaby obniżyć koszty oraz produkować części zamienne w trakcie lotu czy w miejscu docelowym misji bezpośrednio z proszków metali.

Konstruktorzy samolotów pasażerskich także coraz chętniej wykorzystują druk 3D do tworzenia elementów statków powietrznych. Wymogi bezpieczeństwa oraz obciążenia, jakim podlegają elementy konstrukcji samolotów, są duże, więc długie lata jedynie eksperymentowano z częściami wytworzonymi w drukarce. Aktualnie wykorzystuje się je głównie w tzw. obszarach niekrytycznych, czyli mniej narażonych na duże obciążenia, ale znajdziemy je także w elementach napędowych.

Airbus zaczął używać drukowanych części plastikowych w rodzinie modeli A300/A310, a także w następnej generacji – A350 XWB. W tym samolocie wykorzystywane są elementy drukowane przez firmę Stratasys w technologii FDM ze specjalistycznego materiału ULTEMTM 9085 oraz wydrukowana z tytanu, przednia obudowa łożyska do silnika Rolls-Royce Trent XWB-97, okrzyknięta największym wydrukiem 3D, który kiedykolwiek został wyniesiony w przestworza. Wszystkie wydruki użyte w samolotach Airbusa spełniają szereg wyśrubowanych do granic możliwości norm bezpieczeństwa – zarówno pod względem łatwopalności i wytrzymałości na wysokie temperatury, jak i toksyczności w przypadku ich spalania. Airbus jest w trakcie zasadniczych zmian w redukcji masy samolotów. Symulacje wykazały, że dzięki zastosowaniu druku trójwymiarowego można zmniejszyć ciężar całej konstrukcji od 30 do 55%, co oznacza obniżenie masy samolotu nawet o tonę. Ponadto przy zastosowaniu tej metody produkcji można zmniejszyć zużycie energii o 90% w porównaniu do obecnej. Airbus poinformował, że masową produkcję samolotów wyposażonych w drukowane elementy przewiduje na rok 2018.

Również drugi gigant lotniczy, amerykański Boeing, nie zasypia gruszek w popiele i korzysta z możliwości druku przestrzennego. Pierwszy, testowy lot najnowszej wersji samolotu Boeing 737 MAX odbył się pod koniec stycznia 2016 roku. Maszyna ta została wyposażona w parę silników LEAP-1B produkcji spółki CFM International. Każdy z nich zużywa i emituje o 15% mniej paliwa i CO2 niż dotychczas najlepsze silniki CFM, jest znacznie cichszy (40%) oraz wymaga mniej nakładu pracy w utrzymaniu i serwisowaniu. Parametry te udało się osiągnąć dzięki zastosowaniu nowatorskich metod produkcji, ponieważ silnik składa się z 19 drukowanych w 3D z metalu dysz paliwowych, osłon silnika stworzonych z ultralekkich i odpornych na skrajne temperatury materiałów Ceramic Matrix Composites (CMC) oraz łopatek sprężarki wyhodowanych z monokryształów.

Dysze paliwowe wykonane są ze stopu niklu i kobaltu, a ich stworzenie w obecnym kształcie było możliwe tylko w technologii druku 3D. Elementy są o 25% lżejsze niż ich poprzednie wersje wytwarzane tradycyjnymi metodami, ponadto wcześniej każda dysza składała się z 18 osobnych części, a dzięki drukowi 3D zastąpiono je jednym elementem. Dzięki temu znacznie przyspieszono i usprawniono produkcję całego silnika – ograniczono się do produkcji 19 dysz zamiast 342 elementów, które później były obrabiane i montowane. Druk 3D pozwolił też na dopracowanie designu i zwiększenie wytrzymałości dysz – są one teraz pięciokrotnie mocniejsze niż poprzednie.

Przykłady zastosowania druku 3D w samochodach, samolotach, okrętach, elektronice i przedmiotach codziennego użytku można wymieniać jeszcze długo. Coraz więcej firm dostrzega potencjał drzemiący w technologiach druku przestrzennego i testuje możliwości wykorzystania w swoich konstrukcjach. Na elementy tworzone w drukarkach zużywa się mniej materiału, nie powstają odpady, a elementy te są lżejsze i jednocześnie równie wytrzymałe jak wyprodukowane tradycyjnymi metodami. Wszystko to oznacza obniżenie kosztów produkcji i późniejszej eksploatacji, czyli oszczędności, oraz ochronę środowiska – ważne aspekty funkcjonowania współczesnego przemysłu.