3D tla� je tu u� 30 rokov a fascinuje �oraz viac

3D tla� sa oficiálne neobjavila a� do konca dvadsiateho storo�ia, ale niektoré myšlienky, ktoré za �ou stoja, boli známe u� ove�a skôr. V roku 1859 predstavil francúzsky umelecký fotograf François Willème prvú technológiu „3D skenovania“ na svete pomocou 24 kamier, ktoré vyu�il na simultánne fotografovanie objektov z rôznych uhlov.

O nieko�ko rokov neskôr v roku 1892 získal vynálezca Joseph E. Blanther patent na spôsob vytvárania 3D topografických máp pomocou metódy vrstvenia, podobnej koncepcii ako dnešné 3D tla�iarne. Obidvaja nazna�ili smer, ktorý dozrel a� v nasledujúcom období.

Klasická fotografia (v�avo) a fotografia, ktorú zhotovil François Willème pomocou 24 kamier.

1981 – 1999: Detský vek aditívnej výroby

V roku 1981 publikoval Hideo Kodama z Nagoya Municipal Industrial Research Institute svoj príspevok o funk�nom systéme rýchleho prototypovania s pou�itím fotopolymérov. Pevný, vytla�ený model bol vytvorený vo vrstvách, z ktorých ka�dá zodpovedala prie�nemu rezu v modeli. Znie vám to povedome? Bohu�ia�, metóda tohto japonského vedca nebola nikdy �alej rozvíjaná. Vzh�adom na problémy s financovaním nedokázal tento proces dokon�i� pred stanoveným ro�ným termínom na získanie �alších prostriedkov.

Myšlienka „rýchleho prototypovania“ sa však na�alej rozvíjala. �alší odborníci, ktorí sa tejto téme venovali, boli Jean-Claude André, Olivier de Witte a Alain le Méhauté. V 80. rokoch minulého storo�ia pracoval A. le Méhauté v spolo�nosti Alcatel, ktorá skúmala diely fraktálnej geometrie. �asto sa hádal so svojimi kolegami, preto�e si mysleli, �e jeho myslenie je scestné. Napriek tomu bol odhodlaný svoje predpoklady dokáza�, a tak za�al premýš�a� o tom, ako by sa dali takéto zlo�ité �asti vyrába�.

Le Méhauté sa o svoj problém podelil s de Wittom, ktorý pracoval pre dcérsku spolo�nos� Alcatelu. De Witte pracoval s lasermi a vedel o kvapalných monoméroch, ktoré by mohli by� vytvrdené na pevnú látku laserom. To otvorilo cestu k vytvoreniu zariadenia na rýchle prototypovanie.

Obidvaja predstavili túto novú myšlienku J. C. Andréovi, ktorý pracoval vo Francúzskom národnom centre pre vedecký výskum (CNRS). Hoci sa o túto myšlienku zaujímal, CNRS nakoniec tento projekt neschválila. Okrem nedostatku informácií tvrdili, �e takáto technológia jednoducho nemá dostatok oblastí pou�itia. Trio podalo �iados� o patent v roku 1984, ale bez dostato�ných finan�ných zdrojov boli nútení projektu sa vzda�.

Rok 1984 bol š�astným rokom pre 3D tla�. Charles „Chuck“ Hull, ktorý pracoval pre výrobcov stoli�iek a nábytku, bol frustrovaný z toho, ako dlho trvá vyrobenie malých �astí pod�a priania zákazníkov. Preto navrhol, aby sa firemné UV svetlá za�ali pou�íva� na iné ú�ely: vytvrdzovanie fotosenzitívnej �ivice vrstvou po vrstve, prípadne vytvorením �asti. Opä� je vám to povedomé? Ch. Hull, na rozdiel od svojich predchodcov, naš�astie dostal vlastné malé laboratórium, v ktorom za�al pracova� na tomto procese. Iba tri tý�dne po tom, �o tím vo Francúzsku po�iadal o patent, po�iadal o ten svoj aj Ch. Hull. Technológiu výroby pritom nazval stereolitografiou.

Patent bol vydaný v roku 1986 a v tom istom roku zalo�il svoju spolo�nos� vo Valencii v Kalifornii: 3D Systems. V roku 1988 vyrobil svoj prvý komer�ný produkt SLA-1. V sú�asnosti je spolo�nos� 3D Systems jednou z najvä�ších 3D tla�ových spolo�ností a samozrejme jedným z lídrov trhu pre inovácie 3D tla�e.

K�ú�om k stereolitografii je istý druh akrylátového materiálu známeho ako fotopolymér. Vystavte kvapalný fotopolymér pôsobeniu UV laserového lú�a a �as� vystavená svetlu sa okam�ite zmení na pevný plastový kus tvarovaný do tvaru 3D modelu. Netreba dodáva�, �e táto nová technológia bola ve�kou novinkou pre vynálezcov, ktorí by teraz teoreticky dokázali prototypova� a testova� svoje návrhy bez toho, aby museli vlo�i� obrovské predbe�né investície do výroby.

1987: Carl Deckard z Univerzity v Texase prezentoval priekopnícku alternatívnu metódu 3D tla�e, ktorá premie�a sypký prášok na pevnú látku namiesto spracovania tekutých �ivíc, ako to navrhol Ch. Hall. Deckardov prístup k 3D tla�i zah��a pou�itie lasera na spájanie prášku spolu ako pevný materiál. Jeho prvý stroj sa nazýva Betsy. Avšak potrvá to a� do roku 2006, kým budú prvé tla�iarne SLS komer�ne �ivotaschopné, �ím sa otvoria nové príle�itosti vo výrobe.

Hideo Kodama, priekopník v oblasti technológie 3D tla�e.

Zrod technológie fúzovaných depozícii (FDM)

S. Scott Crump spolu so svojou man�elkou a vynálezky�ou Lisovou Crumpovou vynašiel a patentoval novú metódu aditívnej výroby nazvanú Fused Deposition Modeling.

Táto technika spo�íva v roztavení polymérového vlákna a jeho nanášania na substrát, vrstvu po vrstve, �ím sa vytvorí 3D objekt. Myšlienka tejto novej technológie napadla S. Crumpa rok predtým, v roku 1988, ke� sa pokúsil vytvori� hra�ku pre svoju dcéru pomocou lepiacej pištole s vyu�itím zmesi polyetylénu a svietnikového vosku. Po tom, ako sa to sna�il robi� ru�ne, vymyslel spôsob, ako celý proces automatizova� a vyrobi� produkt vytvorením série tenkých, na seba umiest�ovaných vrstiev. S. Crump bol neskôr spoluzakladate�om spolo�nosti Stratasys, ktorá je v sú�asnosti jednou z najvýznamnejších spolo�ností venujúcich sa aditívnej výrobe.

V roku 1992 mal v Arsenio Hall Show vystúpenie prezident Bill Clinton, kde hral na svojom ob�úbenom saxofóne – a spolo�nos� 3D Systems vytvorila prvý stroj s technológiou stereolitografie (SLA – Stereolitographic Aparatus), ktorý umo�nil výrobu dielov vrstvu po vrstve len za zlomok �asu, ktorý by bol normálne potrebný pri inom spôsobe výroby. V tom istom roku uviedla spolo�nos� DTM prvé SLS (Selective Laser Sintering) zariadenie na svete vyu�ívajúce laser na vytvrdzovanie prášku namiesto kvapaliny.

Tieto technológie stáli na po�iatku a neboli dokonalé; pri vytvrdzovaní dochádzalo k ur�itej deformácii v materiáli, navyše zariadenia boli pre domácich vynálezcov z h�adiska ceny nedostupné. No ich potenciál bol nepopierate�ný. O desa�ro�ia neskôr história 3D tla�e ukázala, �e tento potenciál sa stále rozvíja.

Zariadenie SLA-1 vyu�ívajúce princíp stereolitografie.

1999 – 2010: Obdobie dospievania 3D tla�e

Prechod do 2. tisícro�ia bol vzrušujúci – nielen preto, �e rok 1999 bol pre mega-úspešný seriál Beverly Hills 90210 posledný, v ktorom sa nato�ili pôvodné �asti, ale aj preto, �e �loveku bol implantovaný prvý orgán vyrobený 3D tla�ou. Vedci z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine vytla�ili syntetickú verziu �udského mo�ového mechúra a potom ho potiahli �udskými bunkami. Novo vytvorené tkanivo bolo potom implantované pacientom s malou a� �iadnou šancou, �e ich imunitný systém ich odmietne, preto�e bolo vyrobené z ich vlastných buniek.

Z medicínskeho h�adiska to bolo skvelé desa�ro�ie v histórii 3D tla�e. Za desa� krátkych rokov vytvorili vedci z rôznych inštitúcií a startupov funk�né miniatúrne obli�ky, postavili protetickú nohu so zlo�itými �as�ami, ktoré boli vytla�ené v tej istej štruktúre, �i biotla� prvých krvných ciev vytvorených iba pomocou �udských buniek.

Bolo to aj desa�ro�ie, ke� sa 3D tla� posunula do kategórie otvorených riešení. Adrian Bowyer spustil v roku 2005 projekt RepRap – iniciatívu zalo�enú na otvorených riešeniach na vytvorenie 3D tla�iarne, ktorá by sa mohla v podstate stava� – alebo by aspo� mohla tla�i� vä�šinu svojich vlastných �astí. V roku 2008 bola predstavená tla�iare� Darwin so schopnos�ou samoreplikácie. Zrazu mali �udia všade mo�nos� vytvori� si vlastné veci, po ktorých to�ko tú�ili. Zaujímavý bol aj projekt Kickstarter, ktorý sa za�al v roku 2009 a odvtedy získal financie pri mno�stve projektov súvisiacich s 3D tla�ou.

V polovici roku 2000 u� nové prístupy vo výrobe reflektovali po�iadavky na zákaznícke riešenia a podporovali aj myšlienku hromadného prispôsobenia produktov zákazníkom. Prvé SLS zariadenie sa stalo komer�ne �ivotaschopným v roku 2006, �o otvorilo dvere priemyselnej výrobe na po�iadanie. Startup Object (teraz zlú�ený so spolo�nos�ou Stratasys) zameraný na 3D tla� vytvoril stroj, ktorý by mohol tla�i� z viacerých materiálov, �o umo��ovalo výrobu jedného výrobku v rôznych verziách s rôznymi materiálovými vlastnos�ami.

Vyvrcholením intenzívnych kreatívnych inovácií v tomto desa�ro�í bolo spustenie slu�ieb tzv. spolupráce spolo�nej tvorby, ako je Shapeways, trh s 3D tla�ou, kde mô�u návrhári získa� spätnú väzbu od spotrebite�ov a iných návrhárov a následne vyrába� svoje výrobky. �erešni�ku na tortu pridala spolo�nos� MakerBot, ktorá priniesla DIY zostavy ako otvorené riešenia pre výrobcov, ktorí si vytvorili vlastné 3D tla�iarne a produkty. Zo d�a na de� sa tak stratili preká�ky prieniku tejto technológie medzi dizajnérov a vývojárov.

2011 – sú�asnos�: 3D tla� a doba najvä�šieho rozkvetu

Ke� sa pozrieme spä� na nieko�ko posledných rokov a porovnáme to so sú�asnos�ou, nebudeme �aleko od pravdy, ak povieme, �e u� �ijeme v budúcnosti. No, teda skoro. Zatia� �o cena 3D tla�iarní rýchlo klesla a presnos� 3D tla�e sa zlepšila, inovátori prinášajú zlepšenia, o ktorý by Ch. Hull mohol len sníva�. Návrhári u� nie sú obmedzení len na tla� s plastom. Dnes si u� doká�ete vytla�i� zásnubný prste� svojich snov zo zlata alebo striebra. Spolo�nos� KOR Ecologic predstavila Urbee, auto s karosériou vyrobenou pomocou 3D tla�e postavené tak, �e malo na dia�nici dojazd 85 km/liter. Okrem šperkov a lietadiel sa teraz 3D tla� pou�íva na výrobu cenovo dostupného bývania pre rozvojový svet; vizionári za�ali pou�íva� technológiu na tla�enie všetkého od inteligentných robotických ramien, kostných náhrad a dokonca aj rôznych �astí s hrúbkou nieko�kých atómov (�oho výsledkom je ešte menšia elektronika a batérie).

Ka�dý, kto si myslí, �e 3D tla� je len o vytváraní malých predmetov, sa musí zobudi�, preto�e in�inieri na univerzite v Southamptone v Anglicku vyrobili a úspešne otestovali prvé funk�né bezpilotné lietadlo vyrobené 3D tla�ou. Celkové náklady boli ni�šie ako 7 000 USD.

2013: Vedeli ste, �e technológia 3D tla�e sa stala hitom potom, ako ju vo svojom príhovore spomenul prezident Spojených štátov? Vo svojom prejave o stave únie v roku 2013 Barack Obama chváli 3D tla�, �e má „potenciál revolu�ným spôsobom ovplyvni� všetko, �o robíme“.

Štandardizované bionáplne

2015: Švédska spolo�nos� Cellink uvádza na trh prvú štandardizovanú komer�nú tla�iare� na bionápl�. Je vyrobená z materiálu získaného z morských rias nazývaného nanocelulózový alginát, pri�om bionápl� mo�no pou�i� na tla� tkanivovej chrupavky.

Prvý produkt spolo�nosti Cellink stál 99 USD za jednu nápl�. V tom istom roku predáva spolo�nos� aj tla�iare� v cene 4 999 USD. Najnovším prírastkom tejto spolo�nosti je tla�iare� BIO X, ktorej cena sa pohybuje na úrovni 40 000 USD. V�aka týmto produktom sa 3D biotla� stáva cenovo dostupnejšou technológiou pre širokú škálu výskumníkov po celom svete.

Tri náhodne vybraté, skvelé, neo�akávané fakty o 3D tla�i:

• NASA je hlavným podporovate�om 3D tla�e – od jedla a� po prvú 3D tla�iare� vyrobenú v beztia�ovom stave vo vesmíre.

• Na trhu je 3D tla�iare� (Photonic Professional GT), ktorá doká�e vytvori� objekty, ktoré nie sú hrubšie ako �udský vlas.

• Louis DeRosa pou�il 3Doodler – 3D pero na vytvorenie funk�ného šes�motorového drona.

�lánok bol prvýkrát publikovaný v �asopise ATP Journal 3/2019

Literatúra

[1] Goldberg, D.: History of 3D Printing: It’s Older Than You Are (That Is, If You’re Under 30). [online]. Publikované 13. 4. 2018. Dostupné na: https://www.autodesk.com/redshift/history-of-3d-printing/.

[2] Greguri�, L.: History of 3D Printing – When Was 3D Printing Invented? [online]. Publikované 10. 12. 2018. Dostupné na: https://all3dp.com/2/history-of-3d-printing--when-was-3d-printing-invented/.

[3] Dormehl, L.: 15 major milestones along the brief history of 3D printing, Digital Trends. [online]. Publikované 11. 4. 2018. Dostupné na: https://www.digitaltrends.com/cool-tech/history-of-3d-printing-milestones/.