Laserowa wiązka kreśli ślad na powierzchni fotopolimeru. Przedmiot, jeszcze chwilę temu będący tylko cyfrową ideą, zaczyna się materializować, warstwa po warstwie.
Już dziś przez internet możemy kupić czasopismo lub publikację, które da się przeczytać na czytniku z elektronicznym papierem równie wygodnie, jak tradycyjną książkę. Gorzej, gdy w internetowym sklepie zażyczymy sobie kubka do herbaty, zabawki dla dziecka czy zraszacza do trawy. Jesteśmy wówczas skazani na pocztę lub kuriera, który dopiero za dzień, dwa lub trzy dostarczy zakupiony produkt. A gdyby było inaczej? Gdybyśmy w internetowym sklepie kupowali tylko to, co w narzędziu najistotniejsze - jego ideę? Cyfrowy opis przedmiotu zostałby przesłany do urządzenia w naszym domu, a ono wykonałoby produkt na miejscu, w - powiedzmy - godzinę. Wizja przydomowej fabryki wydaje się fantastyczna, lecz od kilkudziesięciu lat rozwijają się technologie, które mogą uczynić ją realną.
Ćwierćwiecze kształtowania
Święta Bożego Narodzenia 1956 roku musiały być dla Johna Otto Munza radosnym okresem. Dokładnie 25 grudnia otrzymał amerykański patent na zgłoszone pół roku wcześniej niezwykłe urządzenie, służące do wytwarzania przedmiotów z... cieczy. Pomysł polegał na tym, aby naświetlać wybrane miejsca na powierzchni fotopolimeru, doprowadzając lokalnie do jego utwardzenia. Pojemnik roboczy miał się następnie nieznacznie obniżyć, czemu towarzyszyłoby uzupełnianie ilości płynu w taki sposób, aby ten pokrył utwardzoną warstwę, umożliwiając tym samym naświetlenie kolejnej. Od patentu do realizacji wiodła jednak długa, pełna przeszkód droga. Na przykład pierwsze narzędzia do projektowania komputerowego - niezbędne do efektywnego opisu obiektów trójwymiarowych i dzielenia ich na przekroje - zaczęły się pojawiać dopiero w latach 60.
Minęło ćwierć wieku. W listopadzie 1981 roku Japończyk Hideo Kodama opublikował artykuł o tworzeniu trójwymiarowych modeli za pomocą naświetlania kolejnych przekrojów na powierzchni polimeru utwardzanego światłem ultrafioletowym. Formowanie warstw jest tu już sterowane komputerowo, a dane o kształcie przekrojów są pobierane bezpośrednio z pamięci operacyjnej. W sierpniu następnego roku Alan J. Herbert z amerykańskiej firmy 3M opisuje działające na podobnej zasadzie urządzenie do wykonywania kopii obiektów. Ono również miało korzystać z danych zapisanych w komputerze.
Metoda polegająca na selektywnym utwardzaniu ciekłego polimeru za pomocą światła została nazwana stereolitografią. Dzisiaj za początek jej komercjalizacji uznaje się rok 1984. Wtedy to Charles W. Hull, pracownik kalifornijskiej firmy UVP Inc. (zajmującej się produkcją lamp ultrafioletowych do utwardzania powłok polimerowych), postanowił skonstruować urządzenie do wytwarzania przedmiotów z warstw utwardzonego polimeru. Wkrótce powstał pierwszy obiekt: niewielki kubek z przeświecającego materiału o charakterystycznym, niebieskawym zabarwieniu - podobno do dziś stoi na biurku Hulla. W 1986 roku Hullowi przyznano patent na urządzenie stereolitograficzne. Już rok później, na wystawie w Detroit, działający prototyp przyciągał całe rzesze zainteresowanych. Staje się oczywiste, że rodzi się nowa gałąź przemysłu. Powstaje pierwsza firma, 3D Systems, której Hull jest współzałożycielem. W 1988 roku 3D Systems rozpoczyna sprzedaż maszyny SLA-1, pierwszego komercyjnego urządzenia przekształcającego płynny polimer w realny obiekt.
Cyfrowy początek
Kształtowanie przyrostowe - takim terminem określa się zespół metod wytwarzania przedmiotów przez nanoszenie kolejnych warstw - ma sporo zalet. Brak tu kłopotliwego przygotowywania formy, nie ma też charakterystycznych np. dla toczenia ograniczeń kształtu do brył obrotowych. W przeciwieństwie do obróbki skrawaniem, gdzie usuwamy nadmiar materiału, tu ilość odpadów jest niewielka. Co więcej, proces kształtowania przyrostowego zazwyczaj składa się z niewielkiej liczby etapów (w przypadku stereolitografii może się nawet ograniczać do jednego), które są na ogół ciche i bezpieczne. Obiekty można więc wytwarzać w niewielkiej, stojącej w biurze maszynie. Najważniejszy jednak okazał się fakt, że zamiast czekać kilkanaście dni na wytworzenie fizycznego modelu, można go zrobić w ciągu zaledwie godzin.
Jak wygląda faza poprzedzająca powstawanie przedmiotu, a więc przygotowywanie jego cyfrowego opisu? Proces ten jest przeprowadzany za pomocą programów typu CAD, przeznaczonych do projektowania trójwymiarowego. Plik z opisem przedmiotu zostaje następnie przeniesiony do maszyny kształtującej. Dobiera się wówczas odpowiednią orientację przestrzenną obiektu, gwarantującą jego stabilność na każdym etapie wytwarzania. Często bowiem się zdarza, że położenie stabilne w jednej fazie wytwarzania nieco później przestaje nim być. Aby uniknąć takich sytuacji, oprogramowanie zazwyczaj pozwala na uzupełnienie obiektu o układ podpór (w niektórych metodach nie jest to konieczne, gdyż ich rolę przejmuje np. proszek otaczający przedmiot). Należy również zapewnić możliwość odprowadzenia materiału roboczego (proszku lub płynu) z wewnętrznych komór przedmiotu. Cyfrowa bryła zostaje wirtualnie pocięta na przekroje, w sposób zgodny z wymogami danej technologii kształtowania. Dopiero w tym momencie określa się ostateczne rozmiary obiektu oraz grubość warstw i rodzaj materiału, z którego zostaną wykonane poszczególne elementy (w metodach wymagających użycia wysokiej temperatury uwzględnia się tu także efekty termiczne, gdyż niekontrolowane kurczenie elementu podczas schładzania mogłoby doprowadzić do jego deformacji). Tak przygotowane dane trafiają do urządzenia kształtującego.
Porcelana? Nie, waza wydrukowana w rozdzielczości 600×540 dpi metodą 3D Printing za pomocą kolorowej drukarki Spectrum Z 510 firmy Z Corporation. Przedmioty rosną tu w tempie do 2,5 cm na godzinę.
Gama metod i materiałów
Początkowo przedmioty powstające za pomocą stereolitografii miały nierówne powierzchnie, o wyraźnej, warstwowej strukturze. Teraz to już przeszłość i w najnowszych urządzeniach jakość powierzchni jest podobna do uzyskiwanej przy formowaniu wtryskowym. Parametry wytrzymałościowe materiałów, stosowanych na wczesnych etapach rozwoju stereolitografii, także pozostawiały wiele do życzenia. Nowa metoda pozwalała budować praktycznie dowolne obiekty, nie do wykonania innymi sposobami - np. sferę w sferze - lecz z uwagi m.in. na niską wytrzymałość, można było ich używać wyłącznie do celów wizualizacyjnych. Na szczęście liczba materiałów, które można było zastosować w urządzeniach stereolitograficznych, szybko wzrastała.
Wkrótce pojawiły się także inne metody kształtowania przyrostowego, a wraz z nimi możliwość użycia innych niż tylko fotopolimery substancji roboczych. W selektywnym spiekaniu laserowym wiązki światła laserowego lokalnie nadtapiają warstwę metalowego lub termoplastycznego proszku. W druku przestrzennym, gdzie materiał nanosi się punktowo za pomocą sterowanej komputerowo głowicy stosuję się także proszki (od polimerowych przez ceramiczne po metalowe) lub materiały roboczych w postaci ciekłej. Nieco podobną do 3DP metodą jest Fused Depostion Modeling (FDM), z tym, że w głowicy znajduje się włókno z materiału termoplastycznego. Z kolei w Laser Engineered Net Shaping (LENS) proszek metalowy jest nakładany punktowo: topi się w ognisku lasera. Wykorzystano również zasadę pracy drukarek atramentowych. W metodzie Ink Jet Printing (IJP) materiał jest nanoszony kropelkami. Ich liczba może dochodzić nawet do kilkudziesięciu milionów na każdym calu kwadratowym, a jakość tak otrzymanej powierzchni jest porównywalna z uzyskiwaną za pomocą obrabiarek numerycznych. W innych technologiach jest podobnie. Urządzenie EOSINT M 270 niemieckiej firmy EOS (metodą DMLS-Direct Metal Laser-Sintering) pracuje z szybkością od 2 do 20mm3/s i generuje warstwy grubości od 20 do 100um. Jeszcze dokładniej jest metoda PolyJet izraelskiej firmy Object Geometries. Głowice urządzenia kształtującego nanoszą tu fotopolimerowy materiał roboczy i wspierający warstwami grubości zaledwie 16um.
Odmian kształtowania przyrostowego jest dziś kilkanaście. Oprócz fotopolimerów, substancji termoplastycznych ora proszków metalowych (stal nierdzewna, aluminium, tytan itp.) i ceramicznych stosuje się w nich żywice syntetyczne, materiał o znaczeniu przezroczystości, a także charakteryzujące się dużą elastycznością - w tym elastomery wydłużające się podczas zrywania do 250%. Podmieniając w procesie wytwarzania materiały robocze, możemy budować przedmioty, których parametry wytrzymałościowe zmieniającą się w różnych miejscach bryły. Dzięki barwnikom umiemy lokalnie zmodyfikować kolor obiektu, co np. pozwala nanieść na bryłę wydrukowanego prototypu tłoka rozkładu naprężeń lub temperatury. O konkretne przykłady nietrudno. Firma DSM Somos dostarcza materiałów na obudowy wewnętrznych świateł w kabinach samochodowych, w których zarówno metalowa ramka, jak i przezroczysta osłonka żarówki są zrobione metodami przyrostowymi. Z kolei brytyjska firma Prior 2 Lever w 2006 roku zdobyła rozgłos, oferując profesjonalnym sportowcom buty, których podeszwy były wytwarzane dokładnie na miarę, odpowiednio do kształtu stopy konkretnego zawodnika. Co ciekawe, do ich wytworzenia użyto „gorącego” selektywnego spiekani laserowego.
Jednak najbardziej niezwykłym materiałem, stosowanym w kształtowaniu przyrostowym, wydaję się… ludzkie komórki. Po wcześniejszym namnożeniu można je nanosić jedną po drugiej, wraz z pełniącym funkcję kleju i szkieletu żelem kolagenowym. Warstwami, udaję się w ten sposób odtworzyć strukturę przestrzenną całego narządu wraz z kluczowymi elementami: siecią naczyń krwionośnych. Co więcej, naniesienie komórki w ciągu kilkudziesięciu godzin zrastają się w prawdziwą tkankę. Metody kształtowania przyrostowego mogą więc doprowadzić do rewolucji w medycynie. W teorii nic bowiem nie stoi na przeszkodzie, aby każdy mógł w razie konieczności otrzymać sztuczny narząd zastępczy zbudowany z własnych komórek, a więc doskonale tolerowany przez organizm. Można nawet pójść jeszcze dalej: wydrukowany organ mógłby mieć lepszą- bo precyzyjnie zaplanowaną – konstrukcję niż naturalna. Medycyna mogłaby nie tylko leczyć, ale również udoskonalać.
Szybciej, lecz nie natychmiast
W zależności od metody kształtowania przyrostowego wytworzony obiekt wymaga mniej lub bardziej czasochłonnej obróbki wykończeniowej. Polega ona np. na usunięciu podpór bądź resztek substancji roboczej, zalegającej w wewnętrznych komorach. Przy przedmiotach przeznaczonych do celów wizualnych często stosuje się powlekanie lakierem. W przypadku materiałów metalowych cały proces się wydłuża. Po schłodzeniu zazwyczaj trzeba przedmiot poddać wygrzewaniu, podczas którego pory w materiałach wypełnia się brązem. Ewentualnie szlifowanie i polerowanie dodatkowo wydłuża czas, ale nawet wówczas coraz częściej udaje się cały proces zamknąć w ramach (tylko) trzech-czterech dni. Warto też zauważyć, że popularność zdobywają także mieszane: przez kształtowanie przyrostowe wytwarza się np. formę , która służy do wyprodukowania elementu za pomocą standardowych metod.
Za pomocą kształtowania przyrostowego potrafimy obecnie wytwarzać przedmioty nie tylko o charakterze prototypów (rapid prootyping), ale również narzędzi (rapid tooling), nawet wykonywanych w krótkich seriach, liczących od kilku do kilku set sztuk (rapid manufecturibg). Czy to oznacza, że niedługo można by w przydomowej „kuchence przyrostowej” wyprodukować zastępcę rozbitego kubka lub pękniętej uszczelki, trzynasty zestaw naczyń dla nadspodziewanego gościa bądź własnoręcznie zaprojektować, fantazyjną obudowę lampy? Być może. Najpierw jednak ceny urządzeń do kształtowania przyrostowego i materiałów roboczych musiałby spaść do poziomu w rozsądnym czasie gwarantującego użytkownikowi zwrot kosztów. Trzeba jednak pamiętać, że asortyment wytwarzanych obiektów podlegałby silnym ograniczeniom wynikającym głównie z rodzaju i ilości dostępnych materiałów roboczych. A ponieważ wielu rzeczy w urządzeniach przyrostowych jeszcze długo zrobić się nie da, o przyszłości fabryk i sklepów możemy byś spokojni.
Źródło: http://www.wiz.pl/main.php?go=1&op=2&id=189
Licencja: Domena publiczna