O 3D tlači

3D tlač

3D tlač je aditívna technológia tvorby objektu. Jedná sa o postupné pridávanie taveného materiálu v horizontálnych vrstvách na podložku. Ide teda o opačný proces ako ten, kde materiál postupne uberáme obrábacími stojmi. Aj keď sa jednotlivé spôsoby tlače môžu navzájom odlišovať, nanášanie materiálu je stále spoločné. 3D model je preto potrebné narezať v softvéri na tenké vrstvy pred samotnou tlačou. 

Spravidla platí, že čím je nanesená vrstva tenšia tým je model precíznejší a kvalitnejší. Avšak aj samotný hardvér má svoje limity ako tenkú vrstvu dokáže vytvoriť. Pokiaľ by aj umožnil veľmi tenké vrstvy, stratíme veľa času v softvéry, ktorý bude rezať model na dané vrstvy. Tým by sa nám predĺžil aj samotný čas tlače nakoľko by trvalo dlhšie jednu vrstvu naniesť a zároveň musí vytvoriť väčší počet vrstiev.

Zdroj: Úvod do 3D tlače -  Alena Furdová, Denisa Fialová, Michal Marko, Peter Leško

História 3D tlače

Aj keď sa môže zdať, že 3D je novinkou posledného desaťročia, v skutočnosti vznikla v 80-tych rokoch minulého storočia. Na vedomie sa dostala však až neskôr vďaka dostupnosti 3D tlačiarní v bežných domácnostiach.

Prvé podklady pre 3D tlač položil Dr. Kodama v roku 1980. Ako prvý popísal postup prikladania vrstvy materiálu na ďalšiu vrstvu čím dal podklady pre stereolitografiu (SLA).  

Vtedy sa 3D tlač označovala ako Rapid Prototyping (rýchla výroba prototypov), keď slúžila výhradne na výrobu prototypov. Typickým príkladom môže byť výroba diaľkových ovládačov preč TV. Pred tým ako si firma objednala hromadnú výrobu sa museli diaľkové ovládače otestovať – pohodlné držanie a či používateľ dočiahol na všetky tlačidlá. Pre zníženie nákladov sa teda vytlačil prototyp a ten sa testoval. S názvom Rapid Prototyping sa môžeme dodnes stretnúť.

Ako zakladateľa technológie 3D tlače sa považuje Charles W. Hull, ktorý pracoval na vytvorení odolnejších materiálov za pomoci tekutých materiálov, ktoré po ožiarení UV svetlom zatvrdnú. Zrodila sa teda myšlienka – vymyslieť prístroj, ktorý by dokázal použiť tento tekutý materiál vo vrstve, ktorú by následne ožiaril UV svetlom, nechal ju zatvrdnúť a tento proces následne opakovať. V roku 1983 takto dokázal vyrobiť prvý 3D model.

Charles W. Hull - otec 3D tlače (ChuckCharles-Hull-009.jpg (460×276) (guim.co.uk))

V roku 1984 obdržal prvý patent za stereolitografický aparát, ktorý používa UV žiarenie na vytvrdnutie prototypu z fotopolymérov. Princíp spočíva v narezaní 3D modelu pomocou softvéru na tenké vrstvy, ktoré môže tlačiareň ukladať na seba jednu za druhou a tým formovať 3D objekt.

Jediný problém spočíval v otázke ako premiestniť súbor do formátu, ktorý by 3D tlačiareň dokázala interpretovať a vytlačiť. Odpoveď našla firma Albert Group Consulting, s ktorou spolupracoval a vytvorili tak STL formát, ktorý dokázala použiť akákoľvek 3D tlačiareň. Nakoľko na rozdiel od procesu SLA, formát STL nebol nikdy patentovaný, takže predstavuje štandard až do súčasnosti.

V roku 1989 vynašiel Scott Crump nový spôsob tlače, známy ako fused deposition modeling (FDM), ktorý používa nepretržité/kontinuálne termoplastické vlákno na vytvorenie jednotlivých vrstiev. Pre zdokonalenie tejto technológie založil spoločnosť Stratasys, ktorá stále úspešne funguje. Po uplynutí patentu pre FDM sa otvoril trh pre rozvoj túto v súčasnosti najpoužívanejšou formu 3D tlače. Okrem toho vynašiel Crump aj materiál pre tlač známi pod názvom akrylonitrilbutadiénstyrén, alebo ABS, ktorý patrí dodnes k najpoužívanejším.

V roku 1988 vytvorili Dr. Carl Deckard a Dr. Joe Beaman z Texaskej Univerzity v Austine nový koncept 3D tlače, a to selected laser sintering (SLS). Od predchádzajúcich dvoch sa líši tým, že miesto plastových a nylonových materiálov vyrába prototypy z kovu. Vyžaduje použitie však vysoko výkonné laserov a preto môžu byť tieto tlačiarne drahé, a nevhodné na domáce použitie.

Massachusetts Institute of Technology (MIT) vytvoril v 90-tych rokoch inkjet 3D tlač, ktorá pracuje na princípe nanášania kvapôčok na materiály ako papier, plast a iné. Z princípu tejto technológie sa dnes rozvíja biotlač, teda tlač živých buniek, ktoré dokážu vytvoriť napríklad tkanivo.

3D tlač ostala dlhé roky komplikovaná a prístroje boli drahé. V roku 2005 nastala však zmena, keď Dr. Bowyer z univerzity v Spojenom kráľovstve založil projekt RepRap. Jeho cieľom je vytvoriť cenovo dostupnú a otvorenú platformu 3D tlačiarní, ktorá sa dokáže samoreplikovať, teda mať tlačiareň, ktorá dokáže vytvoriť kópiu samej seba. Prístup ku dátam je  otvorený a na ich základe si môže  hocikto vytlačiť jednotlivé súčiastky zakomponované do RepRap. V roku 2007 bol pomocou projektu vytvorený prvý prístroj s názvom Darwin 3D printer. Pracuje na princípe fused filament fabrication (FFF), teda rovnako ako FDM, ktorý bol však v tom čase patentovaný firmou Stratasys. Aj napriek obmedzenej kvalite a presnosti tlače však Darwin dokázal, že 3D tlačiareň nemusí byť drahá a môže ju vlastniť hocikto. RepRap sa neustále rozvíja a aj keď nie je možné všetky súčasti tlačiarni vytlačiť, tento projekt výrazne znásobil počet 3D tlačiarní celosvetovo.

Zdroj: Úvod do 3D tlače -  Alena Furdová, Denisa Fialová, Michal Marko, Peter Leško

Vyžitie 3D tlače

3D tlač bola pôvodne používaná pre výrobu rýchlych a lacných prototypov, no s nástupom lacnejších technológií a zníženiu cien prišli aj ďalšie využitia. Ukážkovým príkladom je malosériová výroba, ktorá umožňuje firmám vyrábať produkty, ktoré sú príliš malé na odôvodnenie vysokých nákladov spojených s prípravou výroby. Ďalším benefitom je aj možnosť upravenia 3D modelu na základe spätnej väzby bez ďalších nákladov.

Jozef Průša na "tlačiarenskej farme"(6163486_1200x.jpeg (1200×898) (smedata.sk)

Ďalším príkladom je výroba nedostupných dielov. Pri oprave starožitností či veteránov, nemusia byť náhradné diely k dispozícií už niekoľko desiatkov rokov a často je potrebný len jeden kus. To isté platí aj pre domáce spotrebiče, torbu rôznych obalov, krabičiek či držiakov.

3D tlač vstúpila aj do architektúry a stavebníctva, kde poskytuje 3D vizualizáciu. Tie boli  prezentované v 2D na monitore, čo však nebolo pre vnímanie priestoru ideálne. Architekti preto prešli do 3D priestoru, v ktorom sa môže zákazník „prejsť“ a vidieť tak svoj budúci dom. Ak však odstúpi od virtuálneho sveta, dostaneme možnosť pre tvorbu  fyzických 3D modelov. Tlač poskytuje výrobu modelov rýchlo a lacno s cieľom komunikačnú priepasť medzi zákazníkom a architektom.

3D model domu Hobs-3D-modular-model-4-hero.jpg (1284×722) (illustrarch.com)

Ku ďalšiemu využitiu patrí personalizovaná výroba, kde je si používateľ vytlačí čokoľvek čo si želá. Môže sa jednať o kľúčenky, hračky, figúrky pre stolové hry, repliky, dekorácia, reklamný materiál či rôzne masky a doplnky pre cosplay[1].  

Maska Iron Mana vytlačená na 3D tlačiarni (eab7232c5d97f77788ce37e4a12d9201.jpg (3264×2448) (pinimg.com))

Využitie v medicíne

Počas svojej histórie sa 3D tlač preukázala v mnohých priemyselných odboroch a nové trendy neminuli ako medicínske odvetia. V roku 2000 boli vytlačené zubné implantáty a odvtedy možnosti využitia prudko rastú. V súčasnosti vieme 3D tlač uplatniť v odboroch:

• kardiológie,
• stomatológie,
• ortopédie, traumatológie,
• oftalmológie,
• rehabilitácie,
• neurochirurgie
• a ďalšie.

Okrem 3D tlače sa rozvíja aj biotlač, ktorá pracuje so živými bunkami, ktorá umožňuje tlačiť cievy, ušnice či časti orgánov. Dnes sa tieto vytlačené tkanivá používanie na testovanie nových liečiv. Predpokladá sa, že tlač umožní vytvárať nové orgány pre transplantáciu. Nakoľko je tlač nových buniek na základe buniek pacienta, je predpokladané minimálne riziko odmietnutia transplantátu a zvyšuje úspešnosť samotnej operácie.

Ostatné obory medicíny využívajú 3D tlač na edukáciu,  reálne zobrazovanie a plánovanie zákrokov, tvorby implantátov či iných pomôcok pre pacienta.

Využitie v gastronómii

3D tlačiarne v potravinovom priemysle používajú zmrazené a vysušené práškové zložky v kapsulách obsahujúcich mikroživiny. Tieto zložky sa kombinujú s olejmi a vodou čím vznikajú hotové potraviny. Jedlo je vytvárané vo vrstvách a teda je možné pripraviť aj jedlo s náplňou. Tlačiareň pripomínajúcu mikrovlnnú rúru riadi spotrebiteľ pomocou prístroja na diaľkové alebo senzorové ovládanie umiestnené priamo na tlačiarni.

Prvá 3D tlačiareň potravín vznikla ako súčasť projektu skupiny vedcov a študentov na Cornell University. Prvý podnet pre vznik tohto projektu vyšiel z univerzitného podniku Far@Home a jeho realizácia sa začala v roku 2005. Prvé jedlo bolo na univerzite vytlačené v roku 2011 v podobe ozdoby na zákusok. V roku 2013 začala NASA financovať rozvoj 3D tlačiarní na výrobu jedla pre astronautov vyslaných do vesmíru na dlhé výpravy. Vyvinuli sa tak mikroživiny so životnosťou až 15 rokov.

Neskôr v roku 2014 bola na trh uvedená prvá 3D tlačiareň potravín od 3D Systems v spolupráci s výrobcom Harshey. Tlačiareň dostala meno ChefJet a bolo na nej možné vytvoriť cukrárske pečivo a cukrovinky s mliečnej čokolády alebo z cukru s príchuťou mäty, višne alebo jablka. Tlačiareň dokázala vytlačiť 100 cukroviniek za hodinu.

V súčasnej dobe sú čokoládové 3D tlačiarne bežnou vecou. Zaradenie Chockedge dokáže použiť kvalitnú belgickú čokoládu na tlač. Čokoláda je nanášaná na podklad vo vrstvách. Ďalším príkladom je pizza, ktorej príprava je v princípe zhodná s bežnou 3D tlačou avšak po jej vytlačení sa musí piecť na špeciálnej podložke. V roku 2014 predstavila firma Natural Mechines prototyp tlačierne Foodini, ktorá vie tlačiť nie len čokoládu, ale aj cestoviny ravioli.

Skutočná výzva je tlač potravín ako je mäso, ovocie a zelenina. Pri pokusoch o tlač banánov, jabĺk či mäsa bolo potrebné suroviny dôkladne rozomlieť a výsledná potravina väčšinou nezodpovedala skutočnému tvaru. Avšak spoločnosť Modern Meadow pracuje na vytvorení mäsa v laboratóriu a na jeho úpravu do reálnej podoby využiť 3D tlač. Princíp spočíva v klonovaní kmeňových buniek, ktoré je možné replikovať v laboratóriu. Po znásobení sú bunky vložené do biokazety. V tlačiarni sa táto hmota pomelie a následne vytlačí kus syntetického mäsa. Tuto tlač je možné využiť aj pri výrobe kože alebo pri dopestovaní živých ľudských orgánov.


Zdroj: 3D-TLAC-AKO-NOVA-PRIEMYSELNA-REVOLUCIA-3D-PRINTING-AS-A-NEW-INDUSTRIAL-REVOLUTION.pdf (researchgate.net)