Technologie 3D tisku se začíná výrazněji prosazovat napříč nejrůznějšími obory. V budoucnosti transformují mnohé výrobní postupy a citelně usnadní náš každodenní život.
Představme si na chvíli, že bychom si pomocí domácí tiskárny běžně vytvářeli vlastní dekorace do bytu, hudební nástroje nebo třeba fotoaparáty. Společnosti by takto vyráběly přizpůsobitelné díly do aut a lékaři se nemuseli starat o seznamy dárců, neboť by bylo možné orgány, které pacienti potřebují, jednoduše vytisknout. To a ještě více se díky 3D tisku pomalu, ale jistě stává realitou. Jak ale 3D tiskárny fungují a může je používat kdokoli?
Mechanismy jsou sice relativně složité, ale technologii uplatňuje v rámci výrobních postupů stále více firem a dostává se též k širšímu okruhu běžných spotřebitelů, což ji činí cenově dostupnější, přičemž zde hrají roli také pozitivní ekologické dopady. K tomu Neil Gershenfeld, ředitel laboratoře Center for Bits and Atoms na MIT s přesvědčením, že jsme na prahu velkých změn, říká: „Kdybyste se zeptali průměrného člověka, zda chce mít přístup k výrobním nástrojům řízeným počítačem, pravděpodobně by pokrčil rameny. Ale když položíte otázku, jestli chce být schopen vyrábět si doma nábytek na míru a navrhovat hračky pro své děti? Je to zcela nový svět možností.“
Očekává se, že trh s 3D tiskem se do roku 2026 celosvětově ztrojnásobí na téměř 45 miliard dolarů. Zároveň se již nyní uplatňuje aditivní výroba jako dobrý způsob, jak řešit nedostatky v dodavatelských řetězcích při souběžném zkrácení doby výroby dílů, snížení nákladů na materiál i spotřeby energie.
Zde je základ toho, na čem je 3D tisk založen, doprovázený nejpodstatnějšími fakty, které stojí za to o této technologii vědět – od jejího současného využití například v robotice až po souvislosti s budoucností recyklace a udržitelným způsobem života.
3D tiskárny jsou stroje, které místo slov na papír tisknou 3D objekty vrstvu po vrstvě. Tvoří je pak ze všeho možného, od uhlíkových vláken, prášku až po plast a kov. Při tom je rovněž možné různé materiály kombinovat a eliminovat tak potřebu několika strojů (potažmo pracovníků) potřebných k výrobě. Týká se to například kovových předmětů s plastovými součástmi, jako jsou lopatky větrných turbín nebo komponenty motorů. Tyto schopnosti mají potenciál v konečném důsledku snížit náklady společností, zkrátit dobu potřebnou k zhotovení produktu a eliminovat odpad.
Jak je známo, nejsou už dnes tato zařízení vyhrazena jen továrním halám. Spotřebitelé, které zajímají, je dobře využijí i doma. Analogii vývoje lze vidět kupříkladu v oblasti fotografie, jejichž pořizování bylo před mnoha lety výsadou profesionálů, ale s postupem času se stále více přibližovala lidem, kteří se tak brzy těšili z vlastních snímků, což způsobilo explozi pokroku v tomto oboru. V případě 3D tisku může uživatel sám tvořit a konstruovat, aniž by do toho zapojil někoho dalšího. To podporuje inovace i kreativitu.
Kdy byl 3D tisk vynalezen?
3D tisk jako koncept existuje od roku 1945, kdy spisovatel sci-fi Murray Leinster publikoval povídku „Things Pass By“, v níž popsal stroj s pohyblivým ramenem, který dokázal proměnit kresby v 3D objekty vytvořené z roztaveného plastu. Společnost Teletype Corporation, která v 60. letech vynesla na světlo světa první inkoustové tiskárny, v roce 1971 experimentovala s primitivními 3D přístroji využívajícími roztavený vosk, ale první skutečná 3D tiskárna vznikla až v 80. letech.
Tehdy, přesněji řečeno v roce 1983, přišel s tímto nápadem fyzik Charles Hull, když pomocí UV světla vytvrzoval nátěr desky stolu. Roku 1986 si jej pak nechal patentovat a stal se tak jedním z nejvýznamnějších průkopníků na poli 3D tisku. V této době proces označoval jako „stereolitografii“. Ta byla určena pro výzkumné laboratoře i závody, přičemž vznikla z obecné frustrace z nedostatečného tempa výroby a na základě potřeby malých dílů v nových konstrukcích.
Hull poté založil společnost 3D Systems a rozšířil své patenty i na jiné než kapalné materiály. O slibný vynález okamžitě projevily zájem nemocnice či výrobci automobilů a letadel.
Kolik druhů 3D tiskáren existuje?
Než si odpovíme na otázku – jak fungují 3D tiskárny, je na místě zmínit několik faktů. Začněme tím, že 3D tiskárny se vyrábějí v různých velikostech a tvarech, od těch, které byste snadno vměstnali na svůj pracovní stůl, až po mnohem větší modely, které slouží například ve stavebnictví k výrobě tištěných stěn a základů pro malé domy.
Existuje sedm druhů 3D tiskáren, z nichž každý má své specifické využití. Díky vysoké přesnosti, nízké ceně a velkému výběru materiálů patří mezi nejoblíbenější typ FDM (Fused Deposition Modeling). Jeho pomocí dokážete vyrobit vše od píšťalky přes pouzdro na sluchátka až po držáky na tužky či telefon, což se rozhodně může v domácím prostředí hodit. Často se tak stávají nástroji v rukou kutilů jako součást řady dílen. Ve větším měřítku pak mohou sloužit k tištění konstrukcí aut, bezpilotních letadel nebo třeba elektrické kytary.
Zde je stručný přehled dalších dostupných typů 3D tiskáren:
- Stereolitografie (SLA): Stereolitografie je průmyslový tiskový proces, který je využíván k vytváření prototypů pro vyvíjené výrobky, lékařských modelů i počítačového hardwaru, při němž vznikají objekty po vrstvách. Do hry zde vstupuje tekutý fotopolymer v kombinaci s působením laseru. Je rychlý, ale může být poměrně drahý.
- Digital light processing (DLP): Principy jsou zde obdobné jako v případě technologie SLA. Za přispění mikrozrcadel a promítaného zdroje UV záření dochází k vytvrzování tekutého fotopolymeru do požadovaného tvaru, jen v rámci celé plochy v jediné vrstvě. Je oblíbený v zubním, lékařském a šperkařském průmyslu.
- Selective laser sintering (SLS): Účinkem laseru jako zdroje energie a tepla se taví plastové materiály, jako je například ABS, PET, případně keramika, ve formě prášku. Nejčastěji se takto formují prototypy a díly malosériové výroby.
- Selective laser melting (SML): Tato technologie, někdy též označovaná jako Direct metal laser sintering (DMLS), popřípadě Laser powder bed fusion (LPBF) funguje na podobném základu jako SLS, pracuje ovšem s kovovými materiály, pročež musí k tavení dosahovat vyšších teplot. Vznikají tedy kovové díly uplatňující se při výrobě průmyslových součástí v letectví i kosmonautice, komponenty motorů či stomatologických a lékařských technických zařízení. V medicíně tyto postupy umožňují tisk různých druhů implantátů a protéz.
- Laminated object manufacturing (LOM): Tento výrobní postup vrstvených objektů, který je považován za velmi rychlý a levný způsob 3D tisku z materiálů typu plastové fólie, eventuálně papíru, se většinou prosazuje při výrobě prototypů. Vrstvení materiálu převíjeného z jedné cívky na druhou se děje v operačním prostoru, kde je z fólie laserem, případně noži vyříznuta požadovaná část, na kterou stroj následně připojí další. Vzhledem k tomu, že konstruktéři mohou takto ve velmi krátké době vytvořit zmenšený model, často plní prezentační úlohu u nových konceptů při demonstraci investorům, zákazníkům nebo klientům.
- Electronic beam melting EBM): Tato varianta 3D tisku je pravděpodobně tou z nejsložitějších, lze však docílit vysoké přesnosti. Materiál, kterým je zde nejčastěji ocel nebo titan ve formě prášku, případně drátu, je ve vakuu taven elektronovým paprskem a po vrstvách spékán k sobě. Pro své vlastnosti, mezi něž patří nadprůměrná odolnost či absence složek vyvolávajících alergické reakce, je přínosem v automobilovém, leteckém, vojenském i zdravotnickém průmyslu.
Kolik stojí 3D tiskárna?
Ty nejlevnější kousky FMD tiskáren lze pro osobní účely pořídit již nad hranicí 5 000 Kč. S rostoucími nároky, samozřejmě stoupá i cena, pročež specializovanější zařízení se dokáží vyšplhat do desítek tisíc i výše, ovšem to už se dostáváme spíše mimo oblast osobních zájmů a domácího využití. Profesionální 3D tiskárny uplatňované například k výrobě nábytku, potravin či průmyslových výrobků se mohou pohybovat v řádu stovek tisíc, ačkoli některé stroje v automobilovém, lékařském a leteckém průmyslu (zejména ty, které využívají pokročilejší umělou inteligenci) často překračují nižší jednotky nebo dokonce desítky milionů. Tyto výdaje přitom nezohledňují náklady na materiál, provoz a údržbu.
Jak fungují 3D tiskárny?
3D tiskárny zhotovují vrstvu po vrstvě trojrozměrné objekty na základě digitálního návrhu CAD, který je navržen v počítači. Ačkoli každá 3D tiskárna pracuje trochu jinak, základní koncept začíná právě návrhem u obrazovky. Modelovací software, jako je Rhino – v současnosti jeden z nejoblíbenějších programů pro 3D tisk na trhu, dokáže být neuvěřitelně přesný a uživateli poskytuje množství nástrojů k dosažení kvalitních výstupů.
Fotogalerie
Když se rozhodnete svůj výtvor vytisknout, každá malá vrstva se spojí s následující, přičemž tento proces pokračuje, dokud není model kompletní. Nic nebrání ani zakomponování pohyblivých částí typu pantů, koleček a podobně.
Nejběžnějším materiálem je v případě 3D tisku termoplastické vlákno známé svou pružností a odolností, které zde v podstatě plní roli „inkoustu“. Mezi další pak patří třeba zmíněné prášky, pryskyřice nebo kovy. Vzhledem k tomu, že tiskárna, na rozdíl od výroby z volně ložených surovin, použije k realizaci pouze nutné množství materiálu na základě zadání, propisuje se to do snížení množství odpadu. Proces se tak podílí na větší udržitelnosti v podnicích a má pozitivní efekt na životní prostředí.
Co všechno lze vyrobit na 3D tiskárně?
Teoreticky je možné vytisknout téměř cokoli, hlavní využití ale spočívá ve zefektivnění produkce a výrobě prototypů. Výčet některých oborů, ve kterých technologie představuje významný prvek, zde již zazněl, pravděpodobně nejdominantnějším způsobem se to však projevuje ve stavebnictví, lékařství a vzdělávání.
V současné době jsme schopni vyrábět dalekohledy, fotoaparáty, kovové součásti strojů, plastové hračky, keramické hrnky či kameninové vázy a dokonce jídlo. Některé firmy se tak zaměřují třeba na dorty, zatímco se jiné soustřeďují na masné produkty a tisknou karbanátky nebo hamburgery.
Nadšeným domácím kutilům se tu otevírá pestrá paleta vlastních nástrojů a příslušenství, které takto dokáží přizpůsobit svým potřebám. Mnozí z nich si dokonce slušně přivydělávají jejich online prodejem. Mezi nejoblíbenější předměty se aktuálně řadí nejrůznější kostýmy, masky, rekvizity, miniaturní figurky a květináče, ale také příslušenství pro mobilní telefony, sluchátka a podobně.
K těm nejzajímavějším pokrokům na poli 3D tisku patří ty v oboru medicíny. Vědci postoupili dokonce tak daleko, že metodou známou jako bioprinting z kmenových buněk, kolagenu a strukturálních proteinů v lidském organismu zvaných fibrin, formují skutečné části těla, například uši, i když tato oblast má před sebou ještě relativně dlouhou cestu. Přínosem je také to, že výzkumníci na tkáních vytvořených na 3D tiskárnách snadno a eticky testují některá léčiva.
Budoucnost 3D tisku
V budoucnu nebudou 3D tiskárny středem zájmu jen konstruktérů a kutilů, ale pravděpodobně se stanou součástí našeho každodenního fungování. Dnes se o 3D tisku učí děti už na základní škole a v mnoha z nich s takovými přístroji i pracují.
Možnosti jsou prakticky nekonečné. Nejrůznější průmyslová odvětví nejspíš ještě intenzivněji začlení tuto technologii do svých výrobních procesů, pročež se otevře prostor pro inovace i individuální přizpůsobení produktů. To u některých přinese větší úroveň pohodlí, ovšem v medicíně to může znamenat skutečný průlom. I když jsme od 3D tištěných orgánů, jako jsou ledviny, vzdáleni možná ještě 10 až 15 let, tento vědecký pokrok bude pro životy mnoha pacientů naprosto zásadní.
Opomenout nelze také příležitosti v kosmu, kde se v oblasti obrany a letectví také v nejbližších letech očekává prudký vzestup. V budoucnu by 3D tisk mohl změnit průzkum vesmíru i vesmírnou turistiku tím, že napomůže řešení potencionálních problémů, když si astronauti jednoduše vytisknou předměty, které budou pro daný účel aktuálně potřebovat.
Věk, kdy se 3D tiskárny usídlí v našich domovech podobně jako ledničky či televize, a my namísto putování po obchodech budeme procházet 3D modely domácí elektroniky, oblečení nebo nábytku ke stažení online, abychom si je vytiskli, se blíží. Je docela dobře možné, že půjde o revoluci srovnatelnou s nástupem informačních technologií nebo současným rozmachem generativní umělé inteligence.
