Ciekawe zastosowania druku 3D: Do czego można wykorzystać drukarkę 3D?

Masowa produkcja elementów o powtarzalnym kształcie i parametrach od lat nie stanowi już problemu. Jednak wytworzenie pojedynczych form przestrzennych na potrzeby testów, prototypów czy też konkretnych zastosowań od zawsze było problematyczne – nawet dla przemysłu czy biur projektowych. Im bardziej skomplikowany był dany projekt i im mniejsze były jego rozmiary, tym więcej zaangażowania oraz czasu trzeba było poświęcić na jego wykonanie i tym wyższa musiała być wprawa wykonawcy. Druk przestrzenny okazał się zatem rewolucją, która po prostu musiała się wydarzyć. W poniższym artykule omawiamy, co to jest druk 3D, jakie są jego rodzaje i jakie znajduje zastosowania w medycynie, w przemyśle, lotnictwie, automotive oraz innych dziedzinach ludzkiej aktywności?

Skąd wzięły się drukarki 3D?

O metodach druku przestrzennego większość osób usłyszała dopiero w XXI wieku. Sam pomysł zbudowania konstrukcji, która pozwoli na fizyczne odwzorowanie projektu ściśle według rysunku technicznego, powstał jednak jeszcze w wieku XX, co więcej – został zrealizowany i opatentowany. Nie był to jednak jeszcze druk 3D w dzisiejszym rozumieniu, ponieważ wzór krystalizowano – warstwa po warstwie – w płynnym polimerze, przy użyciu wiązki lasera. Współczesne drukarki 3D działają natomiast najczęściej na bazie filamentów (włókien tworzywa sztucznego), którego kolejne warstwy są stopniowo – poprzez roztapianie w głowicy drukującej – nanoszone na wydrukowany wcześniej fragment detalu. Jedynie kolejność powstawania kształtu była taka sama – zarówno w przypadku stereolitografii (protoplastki druku przestrzennego), jak i drukarek 3D proces ten rozpoczynał się od dolnych warstw. Co ciekawe, „właściwa”, czyli najpopularniejsza obecnie technologia FDM, stworzona została zaledwie dwa lata później. Natomiast największy boom na szybkie metody wytwarzania wiąże się z opracowaniem w połowie pierwszej dekady XXI w. drukarki do stosowania w domu.

Druk 3D w medycynie

Do najbardziej spektakularnych projektów z drukarek 3D należą te wykorzystane w medycynie. Mogą one bowiem z powodzeniem zastąpić niektóre struktury (np. kości), które uległy zniszczeniu, uszkodzeniu lub też w ogóle nie wykształciły się podczas rozwoju danego organizmu. W 2015 roku lekarze z Poznania wszczepili pacjentowi znaczną część kości miednicy – własne tkanki pacjenta uszkodzone zostały przez nowotwór. Była to wówczas jedna z największych tego typu operacji na świecie.

Dziś drukowane są już nie tylko sztuczne kości, ale także tkanki miękkie. W 2018 roku media obiegła wieść, że naukowcom z Karoliny Północnej udało się wydrukować w pełni „gotową” (tzn. wyposażoną w nerwy i naczynia krwionośne) małżowinę uszną. Na podobnej zasadzie powstał także mięsień oraz kość. Wydrukowane narządy nie są jeszcze wdrażane u ludzi, ale jak na razie pomyślnie przeszły testy na zwierzętach. Oczywiście odtwarzanie tkanek i narządów odbywa się nie przy użyciu tradycyjnych tworzyw sztucznych, ale całego szeregu specjalistycznych materiałów hydrożelowych, w których zatapia się żywe komórki. Dzięki temu naukowcy (a w przyszłości zapewne również lekarze) będą mogli otrzymać narząd, który idealnie przyjmie się w organizmie biorcy i to bez ryzyka niezgodności tkankowej. Zamiast czekać długo na dawcę, biorcy organów mogliby zatem – oczywiście w bardzo odległej perspektywie czasowej – otrzymywać narządy wyhodowane specjalnie dla nich. Proces taki, ze względu na ścisłe powiązanie z inżynierią tkankową, wchodzi w zakres nie tyle druku przestrzennego, co powstałej na styku wielu różnych dziedzin nowej gałęzi bioinżynierii – nazwanej biodrukiem (i bliższa jest ona często stereolitografii, niż FDM).

To spektakularne, ale niejedyne zastosowanie druk 3D w medycynie. Powszechnie drukuje się już bowiem także w stomatologii, która zresztą z powodzeniem „przechwytuje” wszelkie techniczne nowości (wcześniej było to m.in. modelowanie 3D). Pracownie protetyczne chętnie odwołują się do modeli, których po wyjęciu z drukarki 3D nie trzeba już ani frezować, ani też korzystać z odlewów. Warto wspomnieć zresztą, że pierwsze zastosowania technologii wydruków przestrzennych w medycynie były zbliżone, wiązały się bowiem ze sporządzaniem modeli przedoperacyjnych. Na przykład już w 2014 roku w Gdańsku lekarze ćwiczyli procedury medyczne na wydrukowanym modelu 3D czaszki, co znacznie ułatwiło przeprowadzenie samej operacji. Tego typu metody stosowane są w wielu wymagających specjalizacjach – w tym przede wszystkim w kardiochirurgii.

Drukarki 3D w architekturze

Zacznijmy od kwestii, która w przypadku druku 3D w architekturze wydaje się oczywista, co nie oznacza oczywiście, że mniej efektowna: modeli budynków. Projektanci od zawsze wykonywali makiety przestrzenne, ale ich ręczne odwzorowanie wymagało czasu i dużych umiejętności manualnych. Upowszechnienie drukarek 3D uprościło znacznie całą procedurę – od teraz można było stosunkowo szybko i przy niższych kosztach przygotować dowolną makietę: wystarczy odpowiednio przekonwertowany model 3D (którego wykonanie nie stanowi dla wprawnego architekta żadnej przeszkody) wysłać do pamięci maszyny drukującej. Mogłoby się wydawać, że ograniczenia wymiarowe prototypów postawią na pewnym etapie tamę dla dalszego rozwoju tandemu: architektura plus druk 3D. Nic bardziej mylnego. W 2014 r. jedna z szanghajskich firm pochwaliła się „wydrukowaniem” prefabrykatów do budowy domów jednorodzinnych. I choć hasło „domów wydrukowanych w 3D” jest jak na razie jedynie marketingowym wabikiem, bo montaż gotowych elementów prowadzono już na placu, to jednak szlak został przetarty.

Spore szanse przed mariażem budownictwa i druku 3D może otworzyć także pomysł, który przywędrował z Holandii. Jeden z tamtejszych start-up’ów zdecydował się na budowę kładki dla pieszych nad amsterdamskim kanałem. W budowie zastosowano pierwsze w historii drukarki 3D z ruchomymi ramionami. Co ciekawe, materiałem użytym do jej produkcji jest stal. Natomiast sama kładka, już po zamocowaniu w miejscu docelowym, obwarowana zostanie wieloma czujnikami, rejestrującymi zachowanie konstrukcji podczas użytkowania. Inna informacja – tym razem o domu o powierzchni blisko 100m2 wydrukowanym na drukarce 3D – dotarła z Francji. Budowla jest dziełem kilku współpracujących ze sobą organizacji z Nantes (m.in. tamtejszego uniwersytetu) i została wydrukowana z pianki oraz betonu w ciągu kilkudziesięciu godzin. Nieco więcej czasu zajął montaż tej eksperymentalnej konstrukcji.

Analizując tematykę zastosowania drukarek 3D w budownictwie i architekturze, nie sposób pominąć także dekoracji wnętrz. W porównaniu z konstrukcjami budowlanymi produkcja mebli może wydawać się pestką, ale warto pamiętać, że to nadal duże konstrukcje. Co więcej – również muszą one przejść pomyślnie odpowiednie testy wytrzymałościowe i zapewnić swoim użytkownikom oczekiwany poziom bezpieczeństwa. Jednym z pionierów w produkcji mebli z drukarek 3D jest szwedzki koncern IKEA, który już w 2017 roku zapowiedział wprowadzenie do oferty kolekcji wydrukowanych mebli.

Zastosowanie druku 3D w przemyśle

Coraz częściej słyszy się, że drukarka 3D w firmie może wkrótce dołączyć do tak podstawowego wyposażenia, jak zwykła drukarka, ploter czy skaner. I choć z pewnością nie wszystkie branże wykażą zapotrzebowanie na technologie druku przestrzennego, to biura projektowe, studia inżynierskie i przedsiębiorstwa przemysłowe już teraz nie mogą się bez niej obejść. Druk 3D pozwala na niebywałe wręcz skrócenie i uproszczenie procesów prototypowania – rysunek techniczny przeniesiony do formatu typowego dla projektów 3D i wydrukowany to idealnie zwymiarowany prototyp, bez strat materiału. Co więcej, wspomniana technologia pozwala na uzyskanie pełnej powtarzalności w przypadku wydruku kilku egzemplarzy np. do testów danej konstrukcji. Coraz częściej drukowanie przestrzenne znajduje zastosowanie w produkcji małych partii dedykowanych obudów do prototypów i próbnych serii produktów.

Inne zastosowanie drukarek 3D w firmach wiąże się z procesami tzw. inżynierii odwrotnej. Bazuje ona na formach zeskanowanych przy pomocy drukarki 3D, a następnie – po odpowiedniej obróbce – wydrukowanych metodą FDM. Wariant taki sprawdza się idealnie w sytuacji, w której wzorzec dla danego elementu już istnieje i konieczne okazuje się jego zwielokrotnienie. Skanowana forma może zostać przygotowana ręcznie przez projektanta, ale może też stanowić np. istniejący element jakiejś konstrukcji, dla którego trzeba wykonać zamiennik.

Drukarki 3D, a lotnictwo i przemysł kosmiczny

Lotnictwo to jedna z najbardziej wymagających branż. Wykorzystywane w niej materiały muszą zagwarantować odporność na bardzo trudne warunki środowiska (wahania temperatur, ciśnienia, nasłonecznienie, wilgotność, przeciążenia i wibracje). Okazuje się jednak, że niektóre filamenty używane w specjalistycznych drukarkach 3D spełniają te wymagania. Z elementów wydrukowanych chcą korzystać już tacy rynkowi potentaci, jak m.in. Boeing. Okazuje się, że jednym z najważniejszych zadań druku 3D może być obecnie szybkie przygotowanie części zamiennych. Filamenty do FDM zawierające metale poddają się obróbce zupełnie inaczej, niż „tradycyjny” metal wykorzystywany w odlewnictwie. Wewnętrzna struktura powstałych z ich wykorzystaniem elementów może być złożona – nie pełna ani też nie zupełnie pusta w środku, ale wypełniona skomplikowanym systemem wsporników, ażurowa. Z takiego rozwiązania wynika wiele korzyści: niższa waga elementu, niższa ilość materiałów zużytych do jego wytworzenia, brak strat materiałowych, a także – co za tym idzie – niższy koszt produkcji. Same części do samolotów to jednak nie koniec zastosowań druku 3D w lotnictwie.

Fenomenalne efekty przynosi już teraz wykonywanie oprzyrządowania do wytwarzania części dla branży lotniczej. Idealnie dopasowane narzędzia zdecydowanie ułatwiają i przyspieszają realizację procesów produkcyjnych. Drukowanie przestrzenne stanowi ponadto bezcenną metodę prototypowania dla ośrodków inżynierii lotniczej i jednostek naukowych – już w 2015 r. o wdrożeniu tej technologii poinformowały Wojskowe Zakłady Lotnicze z Bydgoszczy. Wydrukowane prototypy można poddawać testom, by w razie potrzeby szybko zmodyfikować konstrukcję i wyprodukować formę ponownie. Natomiast Muzeum Lotnictwa Polskiego w Krakowie zdecydowało się na wydrukowanie rekonstruowanych elementów kadłuba do samolotu myśliwskiego Caudron Renault.

Od lotnictwa już „zaledwie” krok do technologii kosmicznych. Drukarki 3D wykonały go dawno – i to dosłownie. W 2014 r. załoga Międzynarodowej Stacji Kosmicznej pochwaliła się pierwszym drukiem wykonanym na orbicie okołoziemskiej (była to płyta czołowa z przestrzennymi napisami). Testowych elementów powstało zresztą więcej. Następnie przetransportowano je na ziemię, aby w warunkach laboratoryjnych sprawdzić, czy i na ile ich parametry będą różnić się od tych osiąganych na naszej planecie. W przypadku misji kosmicznych druk 3D ma ogromne znaczenie, ponieważ daje uczestnikom misji dużą niezależność od dostaw – w razie potrzeby mogą oni samodzielnie wykonać drobne przedmioty, zamiast oczekiwać na ich dostarczenie. W 2019 roku NASA powiadomiło o jeszcze śmielszych planach stworzenia całego statku kosmicznego, który pełniłby rolę orbitalnej drukarni 3D. Jak zawsze w podobnych przedsięwzięciach projekt ma na celu nie tylko stworzenie konkretnego rozwiązania, ale także zaprezentowanie i przetestowanie potencjalnych możliwości technologicznych.

Drukarki 3D w domu i…

Trudno ocenić, czy druk 3D zrobiłby w mediach tak samo oszałamiającą karierę, jak obserwowana obecnie, gdyby nie wprowadzono go w pewnym momencie „pod strzechy”. Do prywatnych użytkowników technologia druku przestrzennego trafiła jednak nieco okrężną drogą. Najpierw sporą karierę wśród odbiorców nieprofesjonalnych zrobili dalecy (i rzecz jasna ubożsi) krewni drukarek 3D, czyli popularne pióra 3D. Ich forma zbliżona jest do pisaka, którego wkład zawiera jednak nie tusz, a plastyczną masę podgrzanego filamentu, zastygającą w powietrzu natychmiast po opuszczeniu końcówki głowicy. Umożliwia ona „rysowanie” mniej lub bardziej skomplikowanych konstrukcji przestrzennych. Obserwacja projektów wykonywanych przez pasjonatów tych gadżetów pokazała jednak, że i tu można osiągnąć bardzo zadowalające, wręcz artystyczne wyniki. Pierwsze drukarki 3D dla domu natomiast pojawiły się około roku 2006 i zawojowały prywatne warsztaty pasjonatów.

Spektrum zastosowań jest tu ogromne – począwszy od prostych figurek, gadżetów inspirowanych grami komputerowymi czy też perełek kolekcjonerskich, poprzez elementy do konstrukcji modelarskich aż po konstrukcje tworzone z myślą o udostępnieniu ich innym pasjonatom na platformach społecznościowych, w ramach licencji open source. Istnieją oczywiście także płatne pliki CAD, a ich oferta jest niewyobrażalnie szeroka – w sieci można znaleźć całe platformy specjalizujące się w dostarczaniu tego typu gotowych projektów.

Można było spodziewać się, że po druk 3D szybko sięgnie jedna z najbardziej kreatywnych grup społecznych, czyli artyści. I tak np. w Technoparku w Łodzi zaprezentowana została kopia rzeźby Misia Uszatka z ulicy Piotrkowskiej, a w Ptaszkowej w woj. małopolskim właśnie metodą druku 3D sporządzono kopię odkrytego kilkanaście lat temu, cennego dzieła Wita Stwosza. Oryginał może zatem trafić muzeum, gdzie zostanie otoczony odpowiednią opieką konserwatorską, a jego kopia trafi do pierwotnej lokalizacji płaskorzeźby, czyli lokalnego kościoła. Podobną metodę zabezpieczenia zabytków zastosowano już także w Koninie Żagańskim, gdzie skopiowano znajdujące się w świątyni szesnasto- i siedemnastowieczne figury. Natomiast w Hamburgu (Niemcy) powstał start-up Twinkind, który metodami inżynierii odwrotnej może wydrukować klientowi jego pomniejszonego „brata bliźniaka”, skanując postać i odtwarzając ją w technologii FDM.

Zastosowanie druku 3D w edukacji

W dobie technologii multimedialnych wyobraźnia młodzieży ma się całkiem dobrze, ale można dodatkowo ją wspomóc. Drukarki 3D mają w tym zakresie ogromne pole do popisu. Z ich pomocą już teraz przygotowuje się przestrzenne modele brył geometrycznych, związków chemicznych czy też helis DNA. Dzieci i młodzież zupełnie inaczej zapamiętują i rozumieją przekazywaną im wiedzę, jeśli mogą zaangażować w jej przyswajanie zmysł dotyku. Wydrukowane na drukarkach 3D modele skłaniają do eksperymentowania. Wspaniałą przygodą okazuje się także samo uczestniczenie w procesie projektowania i drukowania bryły. Natomiast drukarki 3D na uczelniach wyższych wykorzystywane są w sposób profesjonalny – w eksperymentach badawczych, podczas procesów prototypowania i inżynierii odwrotnej.

Przyszłość druku 3D

Drukowanie przestrzenne to dziedzina, która rozwija się we wszystkich możliwych kierunkach. Drukarki 3D ulegają postępującej miniaturyzacji, a także – wręcz przeciwnie – maksymalizacji, aby zapewnić odwzorowywanie form o dowolnej wielkości. Naukowcy nieustannie pracują nad nowymi materiałami, które można wykorzystać do druku 3D – trwalszymi, odporniejszymi na warunki zewnętrzne, bardziej elastycznymi, przepuszczalnymi lub izolującymi, neutralnymi dla organizmu albo wręcz współpracującymi z nim (np. po przeszczepach). Ogromna liczba branż upatruje w tych poszukiwaniach szansy na materiał ściśle dopasowany do jej potrzeb, a to owocuje ogromną różnorodnością samej oferty. Być może za pewien czas okaże się, że dzięki technologii druku 3D całkowicie zniknie potrzeba poszukiwania dawców narządów, przestanie istnieć ryzyko odrzutu przeszczepów, a wszystkie braki w organizmie będą zastępowane przez wydrukowane narządy. Prawdopodobnie na drukarkach 3D będziemy drukować pożywienie, w tym mięso. Już teraz widać, że druk 3D zdołał przeniknąć do bardzo wielu dziedzin życia i trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie bez płynących z niego dobrodziejstw.

Szeroki wybór drukarek, filamentów i akcesoriów związanych z drukiem 3D znajdziecie na naszej stronie w kategorii druk 3D / CNC.

Dodaj komentarz