Druk 3D: Co to tak naprawdę jest i jak działa? Krótka historia, zasady i zastosowanie technologii addytywnej

Na łamach naszego portalu już niejednokrotnie poruszaliśmy temat druku 3D. Opisywaliśmy konkretne zastosowania, pokazywaliśmy interesujące case study, dzieliliśmy się przemyśleniami na temat trendów i przyszłości tej technologii. Tym razem jednak postanowiłem podejść do zagadnienia bardziej systematycznie i uporządkować wiedzę – zarówno dla tych, którzy dopiero zaczynają swoją przygodę z drukiem 3D, jak i dla tych, którzy chcą zrozumieć, jak to wszystko się zaczęło, jak działa i dlaczego w ogóle mówi się o tzw. czwartej rewolucji przemysłowej.

Czym jest druk 3D i produkcja addytywna?

Druk 3D, czyli technicznie rzecz ujmując – produkcja addytywna – to metoda wytwarzania przedmiotów poprzez nakładanie kolejnych warstw materiału aż do uzyskania trójwymiarowego obiektu. W przeciwieństwie do tradycyjnych metod produkcji, w których materiał się usuwa, obrabia lub wycina z większego bloku (czyli technik ubytkowych), tutaj mamy do czynienia z procesem dokładania, warstwa po warstwie. Dzięki temu możliwe jest tworzenie kształtów skomplikowanych, zoptymalizowanych i często niemożliwych do wykonania innymi metodami.

Proces nakładania filamentu warstwami podczas druku 3D metodą FDM

Historia druku 3D: od wizji do przemysłowej rewolucji

Zanim druk 3D trafił do domowych pracowni, laboratoriów i hal produkcyjnych, przeszedł długą drogę, pełną prób, porzuconych pomysłów, przełomowych odkryć i biznesowych zwrotów akcji. Warto więc zatrzymać się na chwilę i spojrzeć wstecz – bo historia tej technologii zaczęła się wcześniej, niż mogłoby się wydawać.

Japoński naukowiec Hideo Kodama zaproponował zupełnie nowe podejście do szybkiego tworzenia prototypów. Źródło: 3dprintingjournal.com

Początki druku 3D sięgają początku lat 80. XX wieku, kiedy to japoński naukowiec Hideo Kodama z Instytutu Badań Przemysłowych w Nagoi zaproponował zupełnie nowe podejście do szybkiego tworzenia prototypów. Jego pomysł polegał na wykorzystaniu żywicy światłoczułej, która pod wpływem światła ultrafioletowego twardnieje warstwa po warstwie. Kodama opracował koncepcję urządzenia, które mogłoby w ten sposób tworzyć fizyczne modele z danych cyfrowych – czyli coś, co dziś bez wahania nazwalibyśmy drukarką 3D. Niestety, choć opublikował dwa przełomowe artykuły naukowe, nie udało mu się doprowadzić do zastrzeżenia patentu, a jego koncepcja została zapomniana na kolejne lata.

Kilka lat później, we Francji, trzech inżynierów pracujących dla General Electric i CILAS – Jean-Claude André, Alain Le Méhauté oraz Olivier de Witte – złożyło wniosek patentowy dotyczący bardzo podobnej technologii opartej na utwardzaniu żywicy światłem UV. Projekt jednak gwałtownie zarzucono, ponieważ ich przełożeni nie wierzyli, iż taka technologia znajdzie zastosowanie przemysłowe. Jak się później okazało – była to jedna z bardziej chybionych decyzji w historii nowoczesnego przemysłu.

Prawdziwy przełom nastąpił w roku 1986, kiedy amerykański inżynier Chuck Hull, zainspirowany problemami związanymi z prototypowaniem małych plastikowych elementów, postanowił stworzyć maszynę, która rozwiązałaby ten problem. Jego wynalazek – nazwany stereolitografią – działał dokładnie według koncepcji Kodamy i Francuzów, ale tym razem doprowadzono go do końca. Hull zarejestrował patent, założył firmę 3D Systems i wypuścił na rynek pierwszą komercyjną drukarkę 3D – SLA- od tego momentu technologia zaczęła rozwijać się lawinowo.

Wkrótce potem, w 1988 roku, Carl Deckard z Uniwersytetu Teksasu opatentował kolejną rewolucyjną metodę – selektywne spiekanie laserowe (SLS), polegające na spiekaniu proszku tworzyw sztucznych przy pomocy lasera. Ta technologia, dzięki temu iż nie wymagała struktur podporowych, bardzo gwałtownie znalazła zastosowanie w przemyśle.

Wycinek prasowy z 1988 roku, Carl Deckard – z lewej.

W tym samym roku Scott Crump, współzałożyciel firmy Stratasys, zainspirowany próbą wykonania plastikowej zabawki dla swojej córki, opracował metodę Fused Deposition Modeling (FDM), czyli osadzania uplastycznionego filamentu warstwa po warstwie. Technologia ta, dziś znana również pod nazwą FFF (Fused Filament Fabrication), stała się podstawą działania tysięcy drukarek 3D dostępnych na rynku konsumenckim i edukacyjnym.

Druk żywiczny

Ewolucja technologii i materiałów w druku 3D

W kolejnych latach pojawiały się nowe technologie, nowe materiały, nowe formaty druku. Drukarki SLA, DLP i LCD pozwoliły uzyskiwać jeszcze wyższą precyzję przy użyciu żywic fotopolimerowych. Technologie DMLS i SLM umożliwiły druk z metali – takich jak tytan, stal czy aluminium – co otworzyło zupełnie nowe możliwości w lotnictwie, motoryzacji i medycynie. Wreszcie, najnowsze innowacje, takie jak technologia CLIP od Carbon3D, pozwoliły na drukowanie z niespotykaną dotąd prędkością.

Równolegle rozwijały się materiały – od klasycznych tworzyw termoplastycznych, przez elastyczne gumopodobne filamenty, aż po specjalistyczne kompozyty wzmocnione włóknem węglowym. Pojawiły się także materiały organiczne, żywność, a choćby beton i szkło. Można powiedzieć, iż granice wyznacza dziś wyobraźnia, a nie technologia.

Podsumowanie: przeszłość, która tworzy przyszłość

Tak oto w ciągu zaledwie czterech dekad druk 3D przeszedł drogę od koncepcji rodem z laboratoriów uniwersyteckich do kluczowego elementu nowoczesnej produkcji i innowacji. Znalazł zastosowanie nie tylko w prototypowaniu, ale również w produkcji końcowych części, narzędzi, modeli medycznych, implantów, struktur architektonicznych czy choćby w eksploracji kosmosu. To fascynujący przykład tego, jak jedno pozornie proste odkrycie może zmienić cały świat.

W kolejnych częściach tego artykułu przyjrzymy się dokładniej temu, jak działa druk 3D, jakie technologie są dziś najpopularniejsze, jakie materiały można stosować i dlaczego tak wiele branż widzi w tej metodzie przyszłość produkcji. Bo choć historia druku 3D jest już całkiem długa, prawdziwa rewolucja dopiero się zaczyna.