Dočkáme se stolních 3D tiskáren?

Víte, co má společného podrážka značkových botasek s krytem nejnovějšího iPhonu? Design obou těchto produktů existuje díky 3D tisku, který je dnes dostupný i počítačovým nadšencům.

Tento článek vyšel v Computeru 11/11

Kdo z čtenářů Computeru vloni v září navštívil Mezinárodní strojírenský veletrh v Brně, mohl se v pavilonu P setkat s jedním poměrně revolučním zařízením. Řeč je o 3D tiskárně Solido SD300 Pro – 3D proto, že po odeslání souboru z počítače skrze běžný USB kabel dokáže vytvořit opravdový prostorový model výrobku, který navrhnete v některém z CAD systémů nebo v softwaru pro 3D modelování.

Klepněte pro větší obrázek
„Vytisknout“ lze i velmi robustní modely, jako je například tento funkční prototyp letadlového motoru

Zmínka o revolučnosti tu není proto, že by tato technologie, označovaná též jako „rapid prototyping“, byla dnes sama o sobě něčím převratným – zařízení pro tzv. rychlou výrobu prototypů, z nichž část je označována prostě jako „3D tiskárny“, jsou vyvíjena už téměř čtvrt století. To, co stroj izraelského výrobce Solido činí přelomovým, je jeho cena a rozměry.

Ačkoliv ceny obdobných zařízení v posledním desetiletí postupně klesaly, a činily je tak dostupnějšími i pro menší firmy, stále jsou prodávány za částky v řádech statisíců až milionů korun a vyžadující další vysoké finanční náklady na údržbu a na tisková média. Solido SD300 Pro vstoupila na trh s velmi agresivní obchodní politikou – nabídnuta byla za cenu pod tři tisíce dolarů, díky čemuž byla zdaleka nejlevnějším zařízením pro rychlou tvorbu modelů na světě. Pro srovnání, nejbližší srovnatelný konkurenční výrobek byl v té době prodáván zhruba za čtrnáct tisíc dolarů.

Prostorový tisk pro každého

Navzdory tomu, že zde stále laborujeme s několika tisícovkami dolarů, začíná se v souvislosti s polevující cenovou politikou čím dál častěji mluvit o „demokratizaci“ 3D tisku a o možnosti jeho zlidovění. Podle některých průmyslových analytiků není daleko doba, kdy se 3D tiskárny stanou široce dostupnými i pro běžné spotřebitele. Není důvod jim nevěřit – stačí si vzpomenout na to, kolik ještě před nějakými patnácti lety stály obyčejné laserovky. To, co bylo tenkrát určeno zejména pro firemní klientelu, čemuž odpovídala i cena laserových tiskáren, si dnes můžeme koupit za tři tisíce takřka v jakémkoliv hypermarketu.

Klepněte pro větší obrázek
Zřejmě nejdostupnější 3D tiskárna Thing-O-Matic je od firmy MakerBot a stojí necelých 1 300 dolarů
 

Je pravda, že z perspektivy České republiky zatím jakýkoliv rozmach 3D tisku vypadá jako nejasný příslib vzdálené budoucnosti. V USA jsou v tomto ohledu mnohem dále, o čemž krom jiného svědčí například i to, že již řada softwarových aplikací pro prostorové modelování (jak jinak než americké provenience) obsahuje ve svých posledních verzích integrované nástroje pro export dat do 3D tiskáren.

Jelikož existuje hned několik technologicky rozdílných větví vývoje těchto zařízení, z nichž každá má své přednosti i zápory, vyplatí se menším firmám přenechat zpracování 3D modelů na externích dodavatelích. Podobně, jako si dnes u nás můžete přes internet odeslat textový soubor do copy centra, které vám zpracovanou zakázku pošle zpět poštou, existují ve Spojených státech firmy poskytující obdobu téhož při výrobě 3D výtisků. Jejich fungování je díky rostoucí konkurenci velmi pohotové – svůj model můžete mít vytištěn „na počkání“ – závisí pak už jen na rychlosti spediční firmy, která vám jej od výrobce doručí.

Vymodelujte si ženu (zrychlené video tisku ženské postavy v tískárně MakerBot)

 

Splněný sen designérů

Mezi lídry v této oblasti patří společnost i.Materialise, jejíž manažer Joris Peels se v rozhovoru pro magazín TechCrunch rozhovořil o potenciálu a pravděpodobné budoucnosti 3D tisku jako takového. Odhaduje například, že většina tradičních výrobců 3D tiskáren v dohledné době nabídne desktopové, tj. malé „stolní“ verze svých zařízení, cílící na běžné spotřebitele. V této souvislosti vidí velkou příležitost k obchodnímu úspěchu u velkého množství designérů, kteří díky levným 3D tiskárnám dokážou pohotově reagovat na specifickou poptávku zákazníků a dodávat výrobky vytvářené přesně na míru podle vaší objednávky.

Klepněte pro větší obrázek
Stroje pro tisk prostorových modelů se liší mj. produktivitou a velikostí konstrukční komory

Představte si to třeba tak, že zatoužíte po originálním krytu pro váš mobil – navštívíte tedy facebookovou stránku malého soukromého návrháře, kde najdete jednoduchou aplikaci pro zadání vašeho nápadu, vyjádříte zde svoji poptávku, na niž on zareaguje výrobou originálního produktu, který můžete už po pár dnech připnout na svůj telefon.

Velké přísliby vidí Peels v tiskárnách značky MakerBot, které jsou vyvíjeny jako open source. Také díky tomu, že je dodáván jako stavebnice, kterou si vy sami musíte sestavit, sahá cena stroje Thing-O-Matic pod 1300 dolarů. S malou nadsázkou má na takové zařízení dnes už takřka každý, kdo by chtěl 3D tisk provozovat, byť i v domácích podmínkách bez ambicí na produktivní výrobu.

Jak to všechno funguje?

V současnosti se můžete setkat zhruba s dvaceti typy 3D tiskáren, z nichž každý využívá jinou technologii stavby modelů. Rozlišit je lze podle používaného konstrukčního materiálu, který může mít konzistenci kapalnou, práškovou, nebo pevnolátkovou.

Ještě než si je všechny blíže představíme, je namístě zmínit aspoň hrubý princip fungování 3D tiskárny. Zařízení pro tvorbu prostorových výrobků podle počítačových dat obvykle vychází z virtuálního prostorového modelu, který je ve specializovaném softwaru „rozřezán“ do jednotlivých vrstev o miniaturní tloušťce. Takto připravený soubor (např. ve formátu STL) je odeslán do tiskárny, která potom vrstvu po vrstvě začne nanášet patřičný materiál, čímž postupně buduje hmatatelný produkt.

Jelikož výrobek vzniká vrstvením, označuje se tato metoda často jako aditivní výroba prototypů. Maximální možná velikost produktu je pochopitelně limitována rozměry konstrukční komory té které tiskárny – je však možné vytvářet i značně rozměrné výrobky, které vzniknou spojením většího počtu menších „výtisků“.

Metody 3D tisku

Nejstarším způsobem 3D tisku je tzv. stereolitografie (SLA), která využívá k tvorbě modelů kapalných materiálů. Tuhé těleso se z tiskového média stává až během procesu tvorby modelu. Proces vytvoření prototypu začíná uložením trojrozměrného CAD modelu do datového formátu STL. Poté je určena nejvhodnější poloha modelu tak, aby se minimalizovaly dokončovací práce, vygenerují se podpory a nakonec se vše přeloží do speciálního formátu, v němž je definován tvar jednotlivých vrstev. Ty mohou být silné 0,05 až 0,15 mm, což zaručuje dosažení i těch nejmenších podrobností. Výhodou stereolitografických modelů je krom přesnosti a vysoké rychlosti výroby také široká variabilita při povrchovém dokončování – lze je brousit, pískovat, lakovat nebo leštit.

Materiál používaný při pevnolátkové výrobě je v základním stavu tuhý – může být například ve formě drátů nebo kuliček, jež jsou před nanášením do vrstev roztaveny. Proces označovaný jako „laminated object manufacturing“ (LOM) využívá postupné laminování jednotlivých vrstev fólie nebo papíru napuštěného zpevňující hmotou, z nichž laser nebo speciální nůž vyřízne požadovaný tvar, než vyhřívaný válec nanese vrstvu další a vše spojí lepidlo.

Klepněte pro větší obrázek
Produktem 3D tiskárny může být zkompletovaný model výrobku s pohyblivými součástmi v reálných barvách

Při metodě „fused deposition modeling“ (FDM) jsou pro změnu používány netoxické termoplasty nebo vosky v podobě drátů navinutých na cívce. Při vytváření modelu je materiál z cívky dopravován do trysky, zde se rozehřeje na teplotu o 1 °C vyšší, než je jeho teplota tavení, a je vytlačován na vznikající model, kde ihned tuhne. Formovací tryska se pohybuje nad základní deskou v horizontální rovině. Když je vrstva hotová, základní deska se posune o průměr vlákna dolů k vytvoření nové vrstvy. Výhodou použití této metody je získání pevného a přesného modelu s minimálním odpadem při jeho vytváření a vysoká teplotní odolnost, rizikem pak nepředvídatelné smrštění a nežádoucí deformace modelu.

Podskupinou pevnolátkových metod je výroba modelů z práškového materiálu, který je s pomocí laseru spékán do požadovaného tvaru (například SLS – „selective laser sintering“). Model je opět stavěn z jednotlivých vrstev, které v tomto případě válcový mechanismus nanáší ve formě prášku, jenž je taven paprskem přesného laseru, načež tuhne v požadovaném tvaru. Prášek, který se nachází mimo oblast tavení, lze po zpracování modelu odstranit stlačeným vzduchem a recyklovat. Při tomto způsobu 3D tisku je využíváno velké množství různých materiálů, například termoplastické elastomery, polykarbonáty, nylon, slévárenský písek, keramika nebo dokonce kovy. Vyrobené modely mohou být snadno dále opracovávány.

 

Je 3D tisk hrozbou pro autorská práva?

Klepněte pro větší obrázekInternetový magazín Ars Technica před nedávnem upozornil na případ zásahu do autorských práv, se kterým se v souvislosti s 3D tiskem budeme jistě setkávat stále častěji. Nizozemský designér Ulrich Schwanitz díky 3D tisku vytvořil obdobu dříve nevyrobitelného tzv. Penroseova trojúhelníku, inspirovaného známým optickým klamem. Schwanitz se svým atraktivním dílkem pochlubil ve videu na YouTube a začal tuto plastiku po sedmdesáti dolarech za kus prodávat.

Jeden z diváků zveřejněného videa byl však natolik šikovný, že zvládl jedinečný výrobek napodobit. Jeho počítačový 3D model pak umístil na veřejné internetové úložiště prostorových dat Thingiverse. Odtud si jej již mohl stáhnout každý zdarma, podobně jako se to děje jinde v případě hudebních a filmových souborů. Ačkoliv se Schwanitz úspěšně domohl stažení napodobeniny, cena jeho práce byla degradována. Jeden z komentátorů se k této události vyjádřil slovy: „Schwanitz vynalezl mnohem více, než jen 3D model Penroseova trojúhelníku – on je objevitelem ohrožení autorských práv v otevřených úložištích 3D dat.“

Je to skutečně tak. Zatímco hudební a filmový průmysl brojí proti kopírování audiovizuálních děl a majitelé kopírek platí desátky za každou ofocenou stránku, s rozmachem 3D tisku a také digitalizace (3D skenování) se markantně zvýšilo riziko kopírování prostorových předmětů. Již nyní lze na internetových úložištích najít statisíce 3D modelů všeho možného, které jen stačí poslat do 3D tiskárny a velmi rychle převést do fyzické podoby. Zdá se, že je tedy jen otázkou času, kdy se 3D tiskárny stanou široce dostupnými a problematika ochrany duševního vlastnictví začne být palčivá též v oblasti designu a průmyslových patentů.

 


Poslouží nejen pro tvorbu prototypů

Jakkoliv byl ve svých počátcích a ještě dlouho poté 3D tisk doménou těch nejbohatších firem, tzn. zejména výrobců letadel a automobilů, dnes se s jeho aplikacemi setkáváme napříč nejrůznějšími lidskými činnostmi – od klasické strojírenské konstrukce, přes výstřelky módních designérů až po navrhování protetických náhrad v medicíně.

Hlavním smyslem 3D tiskových technologií byla snaha o nalezení metody co nejrychlejší a nejlevnější výroby prototypů v průmyslu. Do jisté míry tak „rapid prototyping“ konkuruje klasickému CNC obrábění a vhodně doplňuje moderní CAD systémy, jejichž jednotným krédem je pomoc při inovacích a rychlejším uvádění nových výrobků na trh. Software pomůže nejen s definováním tvaru a vlastností produktu, ale dokáže poskytnout spolehlivé výsledky předběžných simulací a virtuálních analýz (např. pevnosti), na něž logicky naváže rychlé zpracování fyzického prototypu 3D tiskem za účelem ergonomických a dalších posudků. V řadě případů lze tyto výtisky využít dokonce jako konečný produkt, zejména pak v malosériové výrobě, kdy by jiné metody byly zbytečně nákladné nebo nepoužitelné.

Příležitosti miliardového trhu

Ročenka Wohlers Report 2011, která je pravděpodobně nejpodrobnějším nezávislým zdrojem informací o technologiích aditivní výroby, aktuálně uvádí jednatřicet výrobců 3D tiskáren a obdobných výrobních systémů. Za všechny zmiňme alespoň ty největší – například firmy 3D Systems, EOS, MTT Technologies, Objet Geometries, Stratasys a Z Corporation.

O smysluplnosti jejich počínání i o potenciálu stále se rozvíjejícího „rapid prototypingu“ svědčí i to, že navzdory doznívající celosvětové recesi si trh s 3D tiskem letos meziročně polepšil o 24 % a jeho celkový objem by měl do roku 2016 vyrůst na více než tři miliardy dolarů.

Témata článku: Časopis Computer, Technologie, Tiskárny, Rapid, Thingiverse, EOS, Modeling

41 komentářů

Nejnovější komentáře

  • Michal Chalupa 5. 8. 2011 17:46:07
    Nepochopil jsem, proč se článek jmenuje "Dočkáme se stolních 3d...
  • Libor52 29. 7. 2011 19:13:14
    Vyfotím si Sharon Stone a doma si ji vytisknu. :-D:-D
  • skutecnykosmonaut 28. 7. 2011 17:47:31
    Se taky jednou můžeme dočkat toho, když si třeba v dílně vyrobim ze dřeva...
Určitě si přečtěte

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

Sbíječky vyměnili za klávesnice. Nový projekt má za cíl přeučit horníky na programátory

** Programátorů je málo a horníků bez práce po uzavření dolu Paskov bude moc ** Problém řeší unikátní projekt ** Pilotní kurz dává naději, že by z horníků mohli být použitelní kodéři

28.  11.  2016 | David Polesný | 78

ASUS ZenBook 3 se začal prodávat v Česku. Je ve všem lepší než MacBook, ale bude to stačit?

ASUS ZenBook 3 se začal prodávat v Česku. Je ve všem lepší než MacBook, ale bude to stačit?

** Novinka od Asusu míří přímo proti MacBooku od Applu ** Nabídne daleko více výkonu za stejné peníze

2.  12.  2016 | David Polesný | 119