Nástup třetího rozměru

Svět vnímaný prostorově, ale v zobrazovací realitě dlouho odkázaný na dvourozměrný obraz, se dočkal s příchodem digitálních technologií rozmachu prostorového vizuálního zobrazení. V průmyslové sféře to umožnil nástup CAD aplikací, na plátny kin vtrhnul systém IMAX a jeho následovníci, do domácností přinesly prostorový vjem počítačové hry a 3D televize a nyní se třetí rozměr díky digitálním technologiím objevil dokonce už i v reálné, zhmotnělé podobě. Nejdříve v podobě velkých a drahých průmyslových systémů používaných pro vývojové práce a zejména rapid prototyping, umožňující zpodobnit hotové produkty ještě před jejich vlastní výrobou, a teď už i jako přístroje nabízené do škol a domácností běžným uživatelům.

Počátek v laserové kolébce
3D tisk se poprvé objevil ke konci druhé poloviny 20. století. Jeho základem se stala technologii stereolitografie (trojrozměrný tisk s využitím UV laseru a tekutého fotopolymeru). Její rodný list, vydaný 11. března 1968 nese název U.S. Patent 4,575,330, s označením „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography” který získal pro svůj vynález americký výzkumník Charless Hull, muž, který koncem 90. let ve své firmě 3D Systems toto zařízení realizoval. Světu se představil stereolitografický aparát SLA-1, první komerční systém tisknoucí v 3D formátu a pradědeček dnešních 3D tiskáren.
Firma 3D Systems si dlouho držela jako průkopník a vlastník řady patentů na trhu vedoucí pozici. Ale v roce 1993 získal Massachusettský technologický institut (MIT) patent na technologii trojrozměrných tiskařských technik, založených na využití práškového materiálu a tekutým spojovačem. Licenci k této technologii koupila firma Z Corporation a odstartovala vývoj 3D tiskáren jako takových.
O 10 let později, po roce 2003, nabral tento vývoj díky vypršení některých patentů na obrátkách. Objevuje se nová technologie polyjet, která pracuje s fotopolymerem, který tavicí hlavice v tenkých vrstvách dvourozměrně pokládá na podložku, pohybující se ve třetím směru, postup vhodný i pro 3D tiskárny menších rozměrů, což umožnilo zpřístupnit je většímu okruhu uživatelů. V roce 2010 vypršely některé patenty firmy Stratasys a 3D tisk (a zařízení která ho umožňují) dostaly další impuls. Zlevňuje, a vydává se za hranice velkých korporací.

V současné době se profesionálnímu komerčnímu průmyslovému tisku už věnuje řada firem, např. Object Geometries, Stratasys, 3D Systems, EOS GmgH či Z Corporation, a ještě větší počet výrobců dodává levnější 3D tiskárny pro tzv. hobby použití. Ty, pokud jde o parametry a možnosti sice nedosahují výsledků profesionálních zařízení, ale pro řadu aplikací postačují a jsou dostupné i menším firmám a dokonce i domácím uživatelům...využívají se různé technologie.

Technologie a materiály
Historicky nejstarší technologií 3D tisku je SLA (Stereolitography), kdy je materiál (původně kapalný fotopolymer) nanášený po vrstvách postupně vytvrzován světelným (UV laserovým) paprskem. Na vytvrzenou vrstvu je nanesen další kapalný polymer a proces se opakuje až do vytvoření celého objektu.
V současnosti je asi nejmasověji používanou technologií FDM (Fused Deposition Modeling). Tiskový materiál (v tomto případě termoplast) je pod tlakem přiváděn do tiskové hlavy, která jej roztaví a tenkou tryskou vytlačuje ven, kde je z něj vrstvu po vrstvě vytvářen požadovaný objekt.
Podobný princip vrstvení materiálu využívá i jedna z nejnovějších metod 3D tisku - laminace. V tomto případě jsou na tištěný objekt postupně laminovány jednotlivé pláty materiálu, a přebývající materiálu je poté (buď mechanicky, nebo laserem) oříznut.
Technicky k nejdokonalejším ale také nejdražším technologiím (mj. kvůli vysoké energetické náročnosti a ceně používaných materiálů) patří DMLS (Direct Metal Laser Sintering) či SLS (Selective Laser Sintering). Jak už napovídá název, využívá k tavení a spékání jemných zrnek práškového tiskového materiálu do požadovaného tvaru laserový paprsek, přičemž laser taví materiál pouze v určené oblasti geometrie dílu. Jde o generativní technologii, jež vytváří výrobek po jednotlivých vrstvách. To znamená, že v průběhu konstrukce či přípravy výroby je 3D CAD model rozdělen na vrstvy, z nichž tato metoda staví (vrstvu po vrstvě) požadovanou geometrii a po zhotovení všech částí objektu dochází k úpravě povrchu a zkompletování. Velkou výhodou je nejen široký výběr používaných materiálů - kov (martenzitické, nerezové oceli nebo směs bronzového prášku), plasty, sklo apod., ale i to, že proces DMLS umožňuje výrobu několika tvarově odlišných výrobků zároveň.
Na podobném principu je založena i technologie EBM (Electronic Beam Melting), která však místo laseru používá ke spékání kovového prášku usměrněný proud elektronů v podobě elektronového paprsku. Výhodou je mimořádně vysoká přesnost, nevýhodou naopak neméně extrémní cena.
Nejpoužívanějším materiálem pro 3D tisk jsou v současné době plasty, a to hlavně ABS (Akrylonitrilbutadienstyren) a novější PLA (Polylactic acid, neboli kyselina polymléčná) které jsou využitelné pro nejširší spektrum tiskáren. Výhodou PLA je biologická odbouratelnost, ABS je zase oproti PLA pružnější, má dobrou tepelnou odolnost a je relativně levný. Při použití v exteriéru tak rychle nedegraduje, vyžaduje však vyhřívanou podložku.
K materiálům pro 3D tisk se řadí i tzv. Laywood (PLA s příměsí dřeva) či PA6 - Polyamid (Nylon), který je sice velmi pružný a houževnatý, ale vyžaduje vyšší teploty. Jako druhý podpůrný materiál pro složité objekty se využívá i polystyren (PS), který se poté rozpouští.
K dalším běžně využívaným materiálům 3D tisku patří kovy, většinou v práškové formě. Výzkumníci z North Carolina State University ale nedávno představili i metodu tisku z tekutého kovu - slitiny 75 % galia a 25 % india, který lze nejen poměrně snadno upravovat a tvarovat, ale dokonce i propojovat, resp. pokrývat  dalšími materiály, jako je např. guma. Používá se sklo, sádra, písek, keramika nebo vosk, tiskne se i z papíru nebo z polymeru.

Budoucnost tisku ve 3D a 3D tisk budoucnosti
Aplikace vytvořené pomocí 3D tiskáren se uplatňují hlavně při vytváření prostorových modelů v architektuře, modelářství, v profesionální průmyslové sféře zejména ve strojírenství, automobilovém a leteckém průmyslu, plastikářském průmyslu - lze je využit nejen pro rapid prototyping či vizualizaci konstruovaných objektů, ale - v závislosti na použité technologii a materiálu - i pro vytvoření hotových výrobků či forem apod.
Možností, které 3D tisk nabízí, je však mnohem více, a s postupným rozvojem 3D technologií a materiálů, které lze pro tyto účely použít, se otevírají nové a nové sféry využití.
Možná trochu futuristicky zní např. výroba jídla pomocí 3D tisku - nicméně i ta už je realitou. Avantgardní cukráři a pekaři o tom ví své a speciality zhotovené ve 3D tiskárně z materiálů na bázi cukru, škrobů, a dalších jedlých substancí již nabízejí. O ambiciózním projektu NASA vybavit astronauty na Mezinárodní vesmírné stanici ISS zařízením, které by umožnilo např. i 3D tisk pizzy, jsme přinesli informaci v loňském TechMagazínu č. 7 na str. 45.
Velmi perspektivní a chvályhodnou se jeví nasazení 3D tisku při výrobě dokumentů v Braillově písmu a předmětů, které mohou pomoci nevidomým poznávat svět pomocí jejich zbývajících smyslů. To že 3D tisk nevyžaduje výrobu speciálních forem a umožňuje i malosériovou, personalizovanou výrobu, navíc z dat, která jsou již v digitální podobě a použitelná pro tuto technologii, je velkou výhodou.
Kontroverzním, byť často medializovaným tématem je výroba zbraní či jejich součástí - a to nejen z plastů, ale i z kovů. I to je již realita, byť (v případě skutečně použitelných zbraní z kovu) výrobně nákladná. Zbraň je prostě stále výrazně levnější si jednoduše koupit, takže až na extrémní případy zbraní z odolných plastů nezjistitelných detektory je asi zbytečné obávat se zneužití této technologie. Nicméně armáda (přinejmenším ta americká) o takovémto využití 3D tisku uvažuje, z pohledu zásobování jednotek na vzdáleném bojišti náhradními díly apod., které je jednodušší vyrobit na místě, než je tam složitě a nákladně dopravovat.
Podobně by měly komponenty vyrobené pomocí 3D tiskáren najít v budoucnu uplatnění např. při kosmických letech, kdy by součástky vyráběné přímo na oběžné dráze namísto jejich drahé dopravy ze Země znamenaly významnou pomoc pro kosmonauty i úsporu nákladů pro kosmické agentury a organizátory vesmírných expedic.
V medicínské oblasti, kde se nyní 3D tisk již hojně používá při výrobě implantátů  (dentální protézy a korunky, kloubní náhrady, nebo dokonce umělé chrupavčité orgány jako je ucho), se uvažuje i o možnostech jeho využití např. pro výrobu celých „náhradních dílů pro člověka” přímo z biologických materiálů - konkrétně z kmenových buněk, čistě buněčného materiálu bez cizorodých příměsí. Výzkumníkům ze skotské Herriot-Watt University a Roslin Cellab se již dokonce podařilo vytvořit zařízení, které překonalo počáteční problémy s fatálním poškozením buněk při 3D tisku a zachovává jejich životaschopnost.  
Společnost Organovo představila na loňské Konferenci experimentální biologie techniku 3D tisku schopnou dodávat, byť zatím v experimentální podobě, pláty lidské jaterní tkáně vyrábějící cholesterol a enzymy stejně, jako jejich přirozený vzor.

 

Publikováno: 11. 5. 2014 | Počet zobrazení: 2845 557