Druk 3D: What You Need to Know

Nie są to drukarki twojego dziadka z kółkiem na stokrotce, ani drukarki twojej mamy z matrycą igłową. W rzeczywistości, nie przypominają one dzisiejszych drukarek do dokumentów lub zdjęć, które mogą drukować tylko w nudnych, starych dwóch wymiarach. Jak sugeruje ich nazwa, drukarki 3D mogą budować trójwymiarowe obiekty z różnych materiałów. Wchodzą one do głównego nurtu, pojawiając się w sklepach detalicznych takich jak Staples, Best Buy i Home Depot, a liczne drukarki 3D i ich materiały eksploatacyjne można kupić na Amazon.com i za pośrednictwem innych sklepów internetowych. Choć wciąż najczęściej można je znaleźć na sklepowych półkach lub w studiach projektowych, w szkołach i domach kultury, oraz w rękach hobbystów, drukarki 3D coraz częściej można znaleźć na stołach warsztatowych, w pokojach wypoczynkowych i kuchniach – i być może w domu blisko Ciebie, jeśli nie w Twoim własnym.

Czym jest druk 3D?

W najbardziej podstawowym ujęciu, druk 3D jest procesem produkcyjnym, w którym materiał jest kładziony warstwa po warstwie, tworząc trójwymiarowy obiekt. (Jest to proces addytywny, ponieważ obiekt jest budowany od podstaw, w przeciwieństwie do procesów substraktywnych, w których materiał jest cięty, wiercony, frezowany lub obrabiany maszynowo). Chociaż drukarki 3D wykorzystują różnorodne materiały (takie jak plastik czy metal) i techniki (zobacz „Jak działa druk 3D?” poniżej), łączy je zdolność do przekształcania plików cyfrowych zawierających dane trójwymiarowe – czy to stworzonych w programie do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD) lub produkcji wspomaganej komputerowo (CAM), czy też pochodzących ze skanera 3D – w obiekty fizyczne.

Czy druk 3D jest w ogóle drukiem?

Tak, druk 3D może być uważany za druk, choć nie tak, jak tradycyjnie jest definiowany. Odpowiednie definicje „drukowania” wg Webstera koncentrują się na produkcji drukowanych materiałów, publikacji lub fotografii, oraz produkcji poprzez odcisk (zastosowanie nacisku). Żadna z tych definicji nie pasuje tak naprawdę do druku 3D. Jednak z technologicznego punktu widzenia, druk 3D jest rozwinięciem tradycyjnego druku, w którym nakładana jest warstwa materiału (zazwyczaj tuszu). Zazwyczaj jest ona tak cienka, że nie ma zauważalnej wysokości (chociaż w przypadku drukarek na stały atrament, jest ona nieco grubsza). To co robi druk 3D to znacznie zwiększa tę wysokość poprzez nakładanie wielu warstw. Tak więc sensownym byłoby rozszerzenie definicji drukowania o wytwarzanie trójwymiarowych obiektów w ten sposób.

Jak działa druk 3D?

Podobnie jak tradycyjne drukarki, drukarki 3D wykorzystują różne technologie. Najpowszechniej znaną jest modelowanie z osadzaniem topionego materiału (FDM), znane również jako wytwarzanie z topionego filamentu (FFF). W tej technologii, filament – składający się z akrylonitrylu, kwasu polimlekowego (PLA) lub innego termoplastu – jest topiony i osadzany warstwowo przez rozgrzaną dyszę wytłaczarki. Pierwsze drukarki 3D, które pojawiły się na rynku, wyprodukowane w połowie lat 90-tych przez Stratasys z pomocą IBM, wykorzystywały FDM (termin zastrzeżony przez Stratasys), podobnie jak większość drukarek 3D przeznaczonych dla konsumentów, hobbystów i szkół.

Inną technologią wykorzystywaną w druku 3D jest stereolitografia. W niej laser UV świeci do kadzi z ultrafioletowo wrażliwym fotopolimerem, śledząc na jego powierzchni obiekt, który ma powstać. Polimer zestala się wszędzie tam, gdzie dotyka go wiązka lasera, a ta „drukuje” obiekt warstwa po warstwie zgodnie z instrukcjami zawartymi w pliku CAD lub CAM, na podstawie którego pracuje.

W wariacji na ten temat mamy również druk 3D z wykorzystaniem cyfrowego projektora światła (DLP). Ta metoda wystawia płynny polimer na działanie światła z projektora cyfrowego przetwarzania światła. To utwardza polimer warstwa po warstwie, aż obiekt zostanie zbudowany, a pozostały płynny polimer zostanie odsączony.

Multi-jet modeling to atramentowy system druku 3D, który rozpyla kolorowe, klejopodobne spoiwo na kolejne warstwy proszku, gdzie obiekt ma zostać uformowany. Jest to jedna z najszybszych metod i jedna z niewielu, która obsługuje drukowanie wielokolorowe.

Możliwa jest modyfikacja standardowej drukarki atramentowej w celu drukowania z materiałów innych niż atrament. Przedsiębiorczy majsterkowicze zbudowali lub zmodyfikowali głowice drukujące, generalnie głowice piezoelektryczne, do pracy z różnymi materiałami – w niektórych przypadkach drukując same głowice na innych drukarkach 3D! Firmy takie jak MicroFab Technologies sprzedają głowice drukujące obsługujące 3D (jak również kompletne systemy drukujące).

Selektywne spiekanie laserowe (SLS) wykorzystuje laser o dużej mocy do łączenia cząsteczek plastiku, metalu, ceramiki lub szkła. Po zakończeniu pracy pozostały materiał jest poddawany recyklingowi. Technologia topienia wiązką elektronów (EBM) wykorzystuje – jak można się domyślić – wiązkę elektronów do topienia proszku metalowego, warstwa po warstwie. Tytan jest często używany z EBM do syntezy implantów medycznych, jak również części samolotów.

Zależnie od techniki, drukarki 3D mogą wykorzystywać różnorodne materiały, w tym, lecz nie wyłącznie, metale (stal nierdzewna, lut, aluminium i tytan); tworzywa sztuczne i polimery (w tym kompozyty łączące tworzywa sztuczne z metalami, drewnem i innymi materiałami); ceramikę; gips; szkło; a nawet produkty spożywcze takie jak ser, lukier i czekolada! (Zobacz nasz przewodnik po typach filamentów do drukarek 3D.)

Kto wynalazł druk 3D?

Pierwsza drukarka 3D, która wykorzystywała technikę stereolitografii, została stworzona przez Charlesa W. Hulla w połowie lat 80-tych. Stereolitografia była tradycyjnie drogą techniką komercyjną, z maszynami kosztującymi w granicach pięciu, a nawet sześciu cyfr, ale ostatnie lata przyniosły pojawienie się profesjonalnych drukarek stereolitograficznych kosztujących kilka tysięcy dolarów, jak również systemów konsumenckich, które zaczynają się od kwoty poniżej tysiąca.

W 1986 r. Hull założył 3D Systems, firmę, która dziś sprzedaje drukarki 3D wykorzystujące różne technologie. Począwszy od podstawowych zestawów do zaawansowanych systemów komercyjnych, 3D Systems świadczy również usługi w zakresie części zamiennych na żądanie, głównie dla użytkowników biznesowych.

Jakie są korzyści z druku 3D?

Dzięki drukowi 3D, projektanci mają możliwość szybkiego przekształcania koncepcji w modele 3D lub prototypy (tzw. „rapid prototyping”), a także wprowadzania szybkich zmian w projektach. Pozwala to producentom wytwarzać produkty na żądanie, a nie w dużych seriach, usprawniając zarządzanie zapasami i zmniejszając powierzchnię magazynową. Osoby znajdujące się w odległych lokalizacjach mogą wytwarzać obiekty, które w innym przypadku byłyby dla nich niedostępne.

Z praktycznego punktu widzenia, druk 3D może oszczędzać pieniądze i materiały w porównaniu z technikami subtrakcyjnymi, ponieważ marnuje się bardzo mało surowca. I obiecuje zmienić naturę produkcji, pozwalając w końcu konsumentom na pobieranie plików do drukowania nawet skomplikowanych obiektów 3D – w tym, na przykład, urządzeń elektronicznych – we własnych domach.

Co mogą stworzyć drukarki 3D?

Projektanci używają drukarek 3D do szybkiego tworzenia modeli produktów i prototypów, ale są one coraz częściej wykorzystywane również do wytwarzania produktów końcowych. Wśród przedmiotów wykonanych za pomocą drukarek 3D znajdują się projekty butów, meble, odlewy woskowe do wyrobu biżuterii, narzędzia, statywy, prezenty i zabawki. Przemysł samochodowy i lotniczy używa drukarek 3D do produkcji części. Artyści mogą tworzyć rzeźby, a architekci fabrykować modele swoich projektów. Archeolodzy używają drukarek 3D do rekonstrukcji modeli delikatnych artefaktów, w tym niektórych antyków, które w ostatnich latach zostały zniszczone przez ISIS. Podobnie, paleontolodzy i ich studenci mogą powielać szkielety dinozaurów i inne skamieniałości. Zobacz naszą galerię prostych i praktycznych obiektów z drukarek 3D.

Fizycy i technicy medyczni mogą wykorzystywać druk 3D do tworzenia protez, aparatów słuchowych, sztucznych zębów i przeszczepów kostnych, jak również replikować modele organów, guzów i innych wewnętrznych struktur ciała z tomografii komputerowej w ramach przygotowań do operacji. Dobrym przykładem jest Projekt Daniel, który drukuje w 3D protezy rąk i ramion dla ofiar przemocy w Sudanie. Również opracowywane drukarki 3D, które mogą nakładać warstwy komórek w celu stworzenia sztucznych narządów (takich jak nerki i naczynia krwionośne) są już w fazie R&D. Jest nawet miejsce dla druku 3D w kryminalistyce, na przykład w celu odtworzenia kuli tkwiącej wewnątrz ofiary.

Drukowana elektronika to zestaw metod drukowania, które umożliwiają drukowanie urządzeń elektronicznych lub obwodów na elastycznych materiałach, takich jak etykiety, tkaniny i karton, poprzez nakładanie tuszu elektronicznego lub optycznego. Umożliwiają one bardzo tanią produkcję urządzeń o niskiej wydajności. Elektronika drukowana zaczyna być łączona z drukiem 3D, co pozwala na drukowanie warstwowych obwodów lub urządzeń. Naturalną konsekwencją tego silnego połączenia jest to, że pewnego dnia będziesz mógł drukować gadżety z planów 3D zamiast je kupować.

Przygotowywanie żywności to kolejny sposób, w jaki drukarki 3D mogą być wykorzystywane. Francuski Instytut Kulinarny używa otwartoźródłowej drukarki 3D Fab@Home opracowanej na Uniwersytecie Cornell do przygotowywania artystycznych przysmaków, a MIT stworzył drukarkę 3D do żywności o nazwie Cornucopia. Niewielka liczba restauracji testuje prototypy drukarek do żywności. Badania NASA nad drukiem 3D obejmują drukowanie żywności, takie jak drukowana w 3D pizza.

Kilka drukarek 3D do żywności stało się dostępnych komercyjnie. Skupiają się one na konkretnych produktach spożywczych, jak czekolada, naleśniki czy ciasteczka.

Czym są usługi druku 3D?

Nie musisz posiadać drukarki 3D, aby z niej skorzystać. Wiele usług druku 3D, takich jak Shapeways i Sculpteo, drukuje prezenty i inne małe przedmioty na zamówienie na swoich własnych drukarkach 3D, a następnie wysyła je do klienta. Klienci mogą przesyłać swoje własne pliki obiektów 3D lub wybierać przedmioty, w większości zaprojektowane przez innych użytkowników serwisu, z katalogu online.

Ale usługi druku 3D nie są już wyłącznie domeną specjalistów. Duże firmy, takie jak UPS wprowadziły usługi druku 3D, a niektóre tradycyjne drukarnie dodały druk 3D na żądanie do swojego repertuaru.

Gdzie mogę nabyć drukarkę 3D?

Większość producentów drukarek 3D sprzedaje swoje produkty bezpośrednio przez Internet. Wielu sprzedawców internetowych posiada je teraz w swojej ofercie, w tym firmy działające tylko online, takie jak Amazon.com, oraz inne, które posiadają również sklepy stacjonarne. Niektóre z tych ostatnich, takie jak Walmart, Best Buy i Staples, oferują je w sklepach, jak również online, ale upewnij się, aby sprawdzić dostępność w sklepie na swoich stronach internetowych, ponieważ nie wszystkie punkty sprzedaży je nosić. Kilka sklepów z drukarkami 3D zostało otwartych w dużych miastach. Na przykład, iMakr ma swoje sklepy w Londynie i Nowym Jorku.

Kilku sprzedawców online specjalizuje się w drukarkach 3D, jak Dynamism, który sprzedaje drukarki 3D różnych marek i zapewnia również wsparcie klienta.

Jakiego oprogramowania potrzebuję do drukowania 3D?

Niemal wszystkie drukarki 3D akceptują pliki w tak zwanym formacie STL (nazwa pochodzi od stereolitografii). Tego typu pliki mogą być produkowane przez większość programów CAD, od drogich komercyjnych pakietów jak AutoCAD do darmowych lub open-source’owych produktów takich jak Google SketchUp i Blender. Dla tych, którzy nie są skłonni do tworzenia własnych plików 3D, bazy danych obiektów 3D, takie jak Thingiverse firmy MakerBot, oferują liczne pliki obiektów 3D, które można pobrać i wydrukować.

Większość drukarek 3D jest dostarczana z pakietem oprogramowania, dostarczanym na dysku lub dostępnym do pobrania, który zawiera wszystko, czego potrzebujesz, aby rozpocząć drukowanie. Pakiety te zazwyczaj zawierają program do sterowania drukarką oraz slicer, który w ramach przygotowania do druku formatuje plik obiektu na warstwy w oparciu o wybraną rozdzielczość i inne czynniki. Niektóre pakiety zawierają program do „uzdrawiania” pliku obiektowego poprzez korygowanie problemów, które mogłyby przeszkadzać w płynnym drukowaniu. Programy te wywodzą się z ruchu open-source RepRap, z którego rozwinął się hobbystyczny druk 3D. W przypadku niektórych drukarek, możesz wybrać poszczególne programy składowe do pobrania, zamiast korzystać z tego, co jest dostarczane w pakiecie.

Co przyszłość szykuje dla druku 3D?

Różnorodność drukarek 3D dla domów i małych firm jest łatwo dostępna -CMag zrecenzował całkiem sporo z nich – lecz wciąż są one często postrzegane jako egzotyczne i raczej drogie urządzenia. Spodziewaj się, że zmieni się to w ciągu najbliższych kilku lat, kiedy drukarki 3D staną się bardziej powszechne w domach – będzie je można znaleźć na stołach warsztatowych, w pracowniach, w domowych biurach, a nawet w kuchni. Być może nie znajdziesz ich w każdym domu, ale staną się niezbędne dla tych ludzi, którzy je posiadają. Przez większość czasu przedmioty wykonane przy użyciu drukarek 3D miały jednorodne wnętrza, ale zaczniemy dostrzegać bardziej złożone kreacje łączące wiele materiałów i kompozytów, jak również drukowaną elektronikę. Z dzisiejszymi drukarkami 3D, jeśli zgubisz pokrywę baterii pilota do telewizora, może być możliwe wydrukowanie zastępczej pokrywy. Z jutrzejszymi, jeśli zgubisz pilota, być może będziesz w stanie wydrukować całego nowego pilota.

Drukowanie 3D zyskuje także oparcie w przestrzeni kosmicznej. NASA eksperymentuje z drukarkami 3D na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ostatecznie, drukarki 3D mogą być wykorzystywane do tworzenia siedlisk na Marsie i innych światach. Aby uratować astronautów Apollo 13 przed śmiercią z powodu uduszenia tlenkiem węgla, NASA musiała w efekcie znaleźć sposób na dopasowanie kwadratowego kołka do okrągłej dziury. Gdyby na pokładzie znajdowała się drukarka 3D, mogliby łatwo rozwiązać problem, projektując i drukując złącze.

Astronauci nie mogą skorzystać z Home Depot, jeśli muszą wymienić zawór lub widget, ale drukarka 3D mogłaby wyprodukować go w razie potrzeby. Podobnie, zobaczymy drukarki 3D w bazach antarktycznych i innych odległych lokalizacjach na Ziemi, gdzie ludzie nie mogą czekać sześć miesięcy na kolejne dostawy, by wymienić niezbędne części lub narzędzia.

Medyczne zastosowania druku 3D nie kończą się na protetykach, aparatach słuchowych i koronach dentystycznych. (Zobacz „Co mogą stworzyć drukarki 3D?” powyżej, aby dowiedzieć się co jest w przygotowaniu). Części zamienne nie muszą być ograniczone do części mechanicznych.

W ciągu ostatnich kilku lat byliśmy świadkami eksplozji różnorodności i zastosowań drukarek 3D. Przypomina to sytuację, w której komputery osobiste były w 1980 roku. Choć łatwo jest dostrzec niektóre z dziedzin, w których druk 3D będzie się rozwijał, inne są poza naszą zdolnością przewidywania, podobnie jak nikt w 1980 r. nie mógł sobie wyobrazić, w co zmieni się komputer osobisty. Możliwe, że druk 3D nie będzie miał takiego samego wpływu jak PC na poziomie życia codziennego konsumentów, ale ma potencjał by zrewolucjonizować produkcję i, co być może ważniejsze, wprowadzić ją w ręce zwykłych konsumentów. Jedno jest jednak pewne: druk 3D jest tu po to, by pozostać.

Które drukarki 3D powinienem sprawdzić na początek?

Po głębsze omówienie poszczególnych drukarek i sposobu ich zakupu, sprawdź nasz przewodnik po 10 najlepszych drukarkach 3D i kilka spostrzeżeń jednego z początkujących użytkowników. Ale kilka szybkich propozycji do sprawdzenia…

Do podstawowego eksperymentowania z drukiem 3D…

Do dużego wyboru w typach filamentów…

Dla projektantów, inżynierów lub poważnych hobbystów…