Historia pewnej filiżanki

Wystarczy zaprojektować filiżankę marzeń i... wydrukować. Nie jest to fragment z powieści Stanisława Lema. To rzeczywistość i przyszłość. Drukarki 3D powoli zaczynając zdobywać rynek. Niebawem każdy będzie mógł w domu otworzyć małą fabrykę.
   Nie podoba nam się obudowa naszego telefonu, brakuje nam sztućców, potrzebujemy łączki do rur. Nic prostszego. Wystarczy, że z internetu ściągniemy projekt lub sami go stworzymy, a następnie poddamy jednej z technik przyrostowych. Wykonanie prototypu przy użyciu tradycyjnych metod jest długotrwałe i kosztowne. Wymaga zazwyczaj dużych nakładów pracy ręcznej, co znacznie podnosi koszty. Od lat poszukiwano metod ułatwiających powstawanie prototypów skracających czas i obniżających koszty, co wpływa na cenę produktu finalnego. Dopiero rozwój oprogramowania CAD (Computer Aided Design) i wykorzystanie go w projektowaniu oraz połączenie z metodami tzw. rapid prototyping RP (szybkie wytwarzanie prototypów i modeli) oraz rapid tooling RT (szybkie wytwarzanie narzędzi) stworzył nowe możliwości. Metody przyrostowe wykorzystują zdolność do łączenia materiałów, takich jak proszki, żywice czy też arkusze do tworzenia obiektów fizycznych. Warstwa po warstwie - nakłada się lub wtryskuje tworzywo, papier, ceramikę, metal lub kompozyty różnych materiałów, według kolejnych przekrojów poziomych modelu komputerowego. Współczesne technologie przyrostowe wykazują wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi technikami, w których występuje usuwanie nadmiaru materiału - na przykład przy frezowaniu. Obiekty w technologiach szybkiego prototypownia mogą być tworzone pomimo skomplikowanej geometrii oraz złożoności, bez konieczności opracowywania specjalnej technologii obróbki bądź montażu końcowego. Cechy te wywołują duże zainteresowanie inżynierów: redukowany jest czas od przygotowania do wprowadzenia produktu na rynek.

Odkrycie na miarę nagrody Nobla,

   świetny pomysł, nowa idea znajdują się na wyciągnięcie ręki. Nie zawsze jednak wiemy, w którym kierunku tę rękę wyciągnąć. Charles Hull z kalifornijskiej firmy zajmującej się wytwarzaniem lamp ultrafioletowych, wykorzystywanych między innymi do utwardzania powłok polimerowych, wiedział i w roku 1984, znalazł inne zastosowanie tego procesu. Hull doszedł do wniosku, że skoncentrowaną wiązkę światła ultrafioletowego można wykorzystać do rysowania przekroju bryły na ruchomym, pokrytym płynnym polimerem dnie pojemnika. W naświetlonych punktach polimer twardnieje. Dno pojemnika obniża się wówczas o ułamek milimetra, a warstewka płynnego polimeru pokrywa utworzony obiekt i można naświetlać kolejną warstwę. Powtarzając to wielokrotnie i rysując kolejne przekroje elementu, można utworzyć nawet bardzo złożoną strukturę. Metoda, nazywana stereolitografią, jest jedną z najpopularniejszych. Pierwszym przedmiotem powstałym w ten sposób była filiżanka. Dwa lata później Charles Hull opatentował swój pomysł, a w roku 1987, podczas wystawy w Detroit, odbyła się pierwsza prezentacja metody. Spotkała się ona z ogromnym zainteresowaniem. Dzięki możliwości szybkiego wykonania modeli, prototypów i wzorców wyrobów, techniki przyrostowe zaczęły odgrywać coraz większą rolę. Dotychczasowe metody były kosztowne, czaso- i pracochłonne. W przypadku metod przyrostowych czas oczekiwania na produkt skrócono z tygodni do dni, a w niektórych przypadkach do godzin.
   Obecnie opracowanych jest kilkanaście metod opartych na pomyśle Hulla.

Milimetr po milimetrze,

   powstają warstwy. Nim jednak do tego dojdzie, model, prototyp lub wzorzec musi zostać zaprojektowany. Do przełomu lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych służyła do tego kalka kreślarska i rapidograf. Era komputerów wprowadziła znaczne ułatwienie w postaci myszki lub tabletu i monitora. Błąd na kalce kreślarskiej kończył się ponownym rysowaniem od początku. W przypadku komputera nie ma takiej potrzeby, wystarczy kombinacja klawiszy Ctrl + Z - i po kłopocie, można projektować dalej. Dzięki współczesnym komputerowym technologiom projektowania CAD możemy tworzyć z łatwością oraz wizualizować w wirtualnej rzeczywistości nasze pomysły.
   Proces ten jest pierwszym etapem powstawania prototypu. Kolejnym jest konwersja do formatu STL. Pakiety CAD wykorzystują różne algorytmy do przedstawiania obiektów bryłowych. Aby zachować spójność, w branży szybkiego prototypowania przyjęto pewien wzorzec - format STL (od nazwy pierwszej techniki: stereolitografii). Drugim etapem jest zatem konwersja pliku CAD do formatu STL. Następnie, przy wykorzystaniu programów do obróbki wstępnej, nasz wirtualny projekt dostosowywany jest do urządzenia - jego rozmiar, lokalizacja oraz orientacja na platformie modelowej. Program do obróbki wstępnej tnie wirtualnie nasz prototyp na kilka warstw o grubości 0,01 mm - 0,7 mm, w zależności od techniki budowy. Może także tworzyć strukturę pomocniczą, która jest szczególnie przydatna w przypadku delikatnych elementów. Kolejnym, przedostatnim etapem, jest tworzenie rzeczywistej części. Przy wykorzystaniu jednej z technik, urządzenie buduje - warstwa po warstwie - nasz prototyp. Na koniec pozostaje wyjąć z maszyny wytworzony model, usunąć podpory, a w niektórych metodach dodatkowo poddać obróbce wykańczającej: wygrzewaniu, naświetlaniu, kąpieli, czyszczeniu lub szlifowaniu powierzchni.
   Etapy te występują we wszystkich technikach przyrostowych. Obecnie opracowanych jest kilkanaście metod szybkiego projektowania i wytwarzania. Jednak wykorzystuje się tylko kilka najpopularniejszych. Pierwszą, już opisaną, była metoda stereolitografii (STL). W roku 1987 powstała firma Hulla - 3D Systems, która zaczęła rozpowszechniać metodę STL i sprzedawać maszyny do szybkiego wytwarzania prototypów tą metodą. Dwa lata później, w roku 1989, opracowano technikę SLS (Selective Laser Sintering) polegającą na spiekaniu sproszkowanego materiału, takiego jak topliwe tworzywa sztuczne. Obok tych metod rozwinęły się inne techniki: wytłoczone osadzanie materiału FDM (Fused Deposition Modeling), laminowanie warstw materiału LOM (Laminated Object Manufacturing), osadzanie materiału kroplami stopionego materiału IJP (Ink Jet Printing) oraz spajanie proszku strumieniem kropli spoiwa 3 DP (3D Printing). Szczególnie ta ostatnia staje się coraz bardziej powszechna. Drukowanie modeli trójwymiarowych

to nie MIT, to fakt.

   Technologia 3D Printing (3DP) to jedna z ciekawszych i coraz mocniej zdobywających rynek metod szybkiego wytwarzania. Została opracowana w Massachusetts Institute of Technology (MIT) w Bostonie pod koniec lat osiemdziesiątych. Zasada powstawania modelu jest podobna jak we wszystkich metodach RP. W tym jednak przypadku na platformie modelowej urządzenie nanosi materiał w formie sproszkowanej. Następnie w zadanych miejscach rozprowadzana jest substancja klejąca (lepiszcze). W ten sposób powstaje pierwsza warstwa modelu. Platforma modelowa zostaje obniżona i proces zaczyna się od początku. Najpierw proszek, potem lepiszcze i znowu w dół. Dopóki nie powstanie cały model. Nie jest to jednak koniec pracy. Po stworzeniu modelu platforma jest podnoszona, a nie związany materiał usunięty. Wyrób jest porowaty i kruchy, dlatego trzeba go poddać dodatkowej obróbce wykańczającej. W tym celu najpierw model jest wygrzewany, a następnie zanurzany w żywicy epoksydowej, stopionym wosku lub kleju cyjanoakrylowym.
   Metodą 3D Printing można otrzymywać modele jednobarwne i wielobarwne, czego nie uzyskamy stosując na przykład stereolitografię. Jako materiału możemy tu użyć sproszkowanych tworzyw sztucznych, ceramicznych oraz metalu.
   Urządzenia wykorzystujące technologię 3D Printing mają kilka zalet: są niewielkie (rozmiarów klasycznej kserokopiarki biurowej), ciche, wydajne i dość tanie w stosunku do innych urządzeń tego typu. Metoda ta jest jedną z najszybszych współczesnych technik przyrostowych. Są jednak i wady. Wielkość urządzenia ogranicza rozmiary powstających modeli, zaś obróbka końcowa podwyższa cenę produktu.
   Urządzenia do 3D Printing stają się coraz popularniejsze. Niestety, ze względu na wysoką cenę - około 50 tysięcy dolarów - na ich zakup mogą sobie pozwolić na razie jedynie firmy.

***

   Technologia ta może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach.
   Nie każdy z nas ma wyobraźnię przestrzenną. Zaprojektowano nam dom, ale jedynie na papierze. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, żeby już obecnie, na miejscu, w biurze projektowym, pokazano go nam na modelu. Wystarczy projekt "wydrukować" i... już stoi przed nami. Na razie tylko w miniaturze. Dzięki temu możemy na bieżąco wprowadzać zmiany w projekcie rzeczywistym.
   Techniki przyrostowe, podobnie jak kilkadziesiąt lat temu sprzęt komputerowy, są dziś osiągalne jedynie dla najbogatszych. Jednak komputery z czasem staniały, a obecnie są już tak dostępne i tanie, jak inne produkty na rynku. Dlatego należy wierzyć, że za kilkanaście lat każdy z nas będzie mógł sobie pozwolić na zakup urządzenia 3D Printing. Tym bardziej że wciąż rosnąca gama materiałów, które będzie można w tej metodzie wykorzystać, otworzy przed nami nowe horyzonty.
ZBIGNIEW ZAJĄC
Ilustr. Joanna Majewska, Zbigniew Zając

Powrót do strony głównej