Druk 3D – technologia addytywna w różnych dziedzinach

Druk 3D, nazywany też produkcją addytywną, to wytwarzanie fizycznych obiektów na podstawie modelu CAD lub cyfrowego modelu 3D. Drukarka osadza, łączy lub zestala materiał, na przykład tworzywo sztuczne, proszek metalu albo ciecz. Robi to zwykle warstwa po warstwie. W latach 80. XX wieku tę technikę uznawano za przydatną wyłącznie do prototypów. Od 2019 roku precyzja i wybór materiałów wzrosły na tyle, że druk 3D trafił również do produkcji przemysłowej.

Największa zaleta tej metody? Skomplikowane kształty, których nie da się uzyskać ręcznymi metodami konstrukcyjnymi.

Krótka historia wytwarzania addytywnego

Pierwszą technikę druku przestrzennego opracował Chuck Hull w 1984 roku. W 1986 roku opatentował ją jako stereolitografię (SLA) i założył firmę 3D Systems, która zaczęła komercyjnie produkować drukarki 3D. W tej firmie powstał format pliku STL, używany do dziś.

Kolejne etapy rozwoju:

• 1988 – Scott Crump opracował osadzanie topionego materiału (FDM), a rok później założył firmę Stratasys;
• 1992 – Stratasys zaczął sprzedawać maszynę „3D Modeler”, w tym samym roku powstała pierwsza drukarka w technice SLS;
• 2006 – Adrian Bowyer zbudował pierwszy prototyp drukarki 3D przeznaczonej dla użytkowników domowych i zapoczątkował projekt RepRap.

Technologie druku 3D i czym się różnią

Metody druku 3D różnią się dokładnością, materiałem, sposobem nakładania warstw (naświetlanie, wyciskanie, stapianie) i szybkością pracy. Najpopularniejsze z nich zestawia tabela.

Materiały do druku 3D

W domowych drukarkach używa się przede wszystkim tworzyw sztucznych:

• PLA, ABS, PET-G, PVA i nylonu;
• Laywood, czyli kompozytu plastiku i drewna;
• Laybrick, czyli kompozytu plastiku i gipsu.

Drukarki przemysłowe i mniej typowe modele pracują z innymi materiałami:

• żywicami i gumą;
• metalem;
• betonem, piaskiem i papierem;
• czekoladą, a nawet cukrem.

Trwają też prace nad drukiem z grafenu. W pełni kolorowe modele daje technologia CJP. Spaja ona proszek lepiszczem i jednocześnie barwi go tuszami CMYK.

Zastosowanie druku 3D w przemyśle

Najstarsze zastosowanie to prototypowanie. Druk pozwala przejść od projektu CAD do modelu fizycznego w ciągu jednego dnia, co skraca cykl rozwoju produktu. W motoryzacji producenci szybciej projektują i testują nowe komponenty, więc wcześniej wdrażają zmiany.

W lotnictwie liczy się redukcja masy komponentów i wyższa efektywność paliwowa samolotów. Airbus i SpaceX stosują drukowane z metalu wsporniki, dysze paliwowe i obudowy. W elektronice druk 3D służy do wykonywania obudów, skomplikowanych struktur montażowych i nowych części urządzeń. Producenci zwracają uwagę, że w procesie przyrostowym nie dochodzi do strat materiału.

Druk 3D w medycynie i stomatologii

Prace nad użyciem druku przestrzennego w medycynie ruszyły na początku XXI wieku. Dziś lekarze i inżynierowie wytwarzają w ten sposób ściśle dopasowane protezy, również wszczepiane w organizm, a nawet tkanki. Całe organy wciąż pozostają wyzwaniem.

W praktyce klinicznej druk 3D daje:

• protezy dopasowane do potrzeb konkretnego pacjenta;
• modele chirurgiczne;
• implanty ortopedyczne, na przykład część kości miednicy wszczepioną pacjentowi przez lekarzy z Poznania;
• narządy zewnętrzne – naukowcom z Karoliny Północnej udało się wydrukować w pełni gotową małżowinę uszną.

W stomatologii drukuje się nakładki na zęby, korony i biokompatybilne prowadnice chirurgiczne.

Budownictwo i architektura

Budynki należą do rodzajów obiektów, które można wytwarzać drukiem 3D, a beton jest jednym z materiałów drukarek przemysłowych. Jedna z firm z Szanghaju wydrukowała prefabrykaty do budowy domów jednorodzinnych. W Amsterdamie nad kanałem powstał most Stoofbrug z elementów drukowanych.

Architekci drukują przede wszystkim modele. Precyzyjne makiety budynków służą do wizualizacji projektów i prezentacji klientom. Drukuje się też modele terenu i modele urbanistyczne, a także niestandardowe detale fasad. Szybkie wydruki pozwalają przetestować kilka wariantów projektu przed wyborem ostatecznego.

Sztuka, edukacja i dom

Pierwszy w Polsce pomnik wykonany z polimerów i grafenu w technologii druku przestrzennego odsłonięto 26 czerwca 2018 roku na terenie Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Białej. Przedstawia poetkę Kazimierę Alberti. Drukiem 3D wykonano także kopię rzeźby Misia Uszatka z ulicy Piotrkowskiej oraz kopie szesnasto- i siedemnastowiecznych figur z jednej ze świątyń.

W szkole drukarka pozwala pokazać uczniom przestrzenne modele brył geometrycznych, związków chemicznych czy helis DNA, dzięki czemu w naukę angażuje się zmysł dotyku. Drukowane modele anatomiczne wykorzystuje się w nauczaniu przedmiotów ścisłych i przyrodniczych.

W domu druk 3D sprawdza się przy drobnych naprawach i porządkowaniu przestrzeni. Można wydrukować części zamienne do sprzętu gospodarstwa domowego, stojak na smartfon, organizer na kable albo etui z własnym wzorem.

Ograniczenia druku 3D

Możliwości drukarki zależą od metody, dostępnych materiałów i kubatury urządzenia. Na co zwrócić uwagę:

• w metodzie FDM zakres materiałów zależy od temperatury, do jakiej nagrzewa się wytłaczarka, i od jej budowy;
• w SLA, SLS i binder jetting przedmiot jest cały czas zawieszony w innej substancji, więc nie da się wydrukować zamkniętej przestrzeni z pustym wnętrzem;
• wydruki FDM często wymagają obróbki: przycięcia łączników i kolumienek oraz wygładzenia powierzchni;
• precyzja zależy głównie od dokładności pozycjonowania elementów sterujących i od użytego materiału.

Normy i regulacje w zastosowaniach krytycznych

Podstawowe pojęcia branży porządkuje norma ISO/ASTM 52900:2021 „Additive manufacturing – General principles – Fundamentals and vocabulary”. Definiuje terminy dotyczące technologii, które budują trójwymiarowe kształty przez kolejne dodawanie materiału. W 2025 roku normę potwierdzono jako aktualną.

W lotnictwie kluczowe są dopuszczenia. W grudniu 2016 roku amerykańska Federalna Administracja Lotnictwa (FAA) zatwierdziła produkcję drukowanej w 3D dyszy paliwowej do silnika GE LEAP.

Osobny problem prawny to broń palna. W Wielkiej Brytanii jej wydrukowanie byłoby nielegalne w świetle przepisów o kontroli broni. Europol ostrzega z kolei, że wraz z rozwojem technologii ryzyko drukowania broni może wzrosnąć.

Najczęściej zadawane pytania

Co można wydrukować za pomocą drukarki 3D?

Drukarką 3D można wykonać gotowe produkty z tworzywa sztucznego, przedmioty wymagające dalszej obróbki, elementy innych przedmiotów, prototypy, formy do wykonania właściwych elementów, a w ograniczonym zakresie także tkanki. Maszyny przemysłowe drukują z metalu, czekolady, a nawet budynki.

Jakie są zastosowania druku 3D w edukacji?

Nauczyciele drukują przestrzenne modele brył geometrycznych, związków chemicznych i helis DNA oraz modele anatomiczne. Uczniowie mogą dotknąć omawianego obiektu, co ułatwia zrozumienie trudnego materiału.

Jakie są zastosowania druku 3D w architekturze?

Architekci drukują precyzyjne modele budynków do wizualizacji i prezentacji klientom, modele terenu i urbanistyczne oraz niestandardowe detale fasad. Druk 3D pozwala też szybko sprawdzić kilka wariantów projektu.

Źródła:

• Wikipedia – Druk przestrzenny
• ISO – ISO/ASTM 52900:2021 Additive manufacturing, General principles, Fundamentals and vocabulary
• Hanplast – Zastosowanie druku 3D w przemyśle
• Sinterit – Najlepsze przykłady druku 3D w prawdziwym życiu
• Botland – Ciekawe zastosowania druku 3D
• Global3d – Zastosowanie druku 3D w architekturze