3D Štampa

Svaka nova tehnologija ima svoje vreme i eru interesovanja. Sobzirom da je sve više primera raznih „čuda“ koja su moguća zahvaljujući konceptu 3D štampača, čini se da je ovo njihov trenutak.

3D štampa – koncept i tehnologija

3D štampa je moderna tehnologija proizvodnje trodimenzionalnih objekata. U trodimenzionalnoj štampi objekat se kreira sukcesivnim nanošenjem slojeva materijala.
Termin 3D štampa u izvornom smislu odnosi se na procese koji sekvencijalno polažu materijal na postolje sa prahom i mlaznicama. U novije vreme značenje pojma se proširilo i obuhvata širi izbor tehnika, kao što su procesi bazirani na ekstruziji i sinterovanju. U širem tehničkom smislu za 3D štampu koristi se pojam “additive manufacturing”.

3D štampa predstavlja generalno brže, jeftinije i lakše rešenje od drugih tehnologija proizvodnje 3D objekata. Omogućava izradu maketa delova i sklopova od više različitih materijala, različitih mehaničkih i fizičkih svojstava u jedinstvenom procesu. Ova tehnologija proizvodi modele koji verno oponašaju izgled, utisak i funkcionalnost proizvoda prototipa. Ti modeli mogu biti u bilo kojem geometrijskom obliku, proizvedeni iz 3D modela ili drugog izvora elektronskih podataka. 3D štampač predstavlja vrstau industrijskog robota.
U poslednjih nekoliko godina 3D štampači su postali finansijski dostupni malim i srednjim preduzećima, čime se izrada prototipa pomera iz teške industrije i u kancelarijsko okruženje. Sada je moguće i istovremeno uklapanje različitih vrsta materijala.

Osim izrade prototipova, 3D štampači nude veliki potencijal za proizvodnju različitih aplikacija u oblasti proizvodnje nakita, obuće, industrijskog dizajna, arhitekture, automobilske industrije, avio, stomatološke i medicinske industrije.

Istorija terminologija i metode

Prva oprema i materijali su razvijeni osamdesetih godina. 1981 Hideo Kodama iz Nagoja industrijskog istraživačkog institute izmislio je dva AM metoda za pravljenje trodimenzijonalnog plastičnog modela sa foto očvršćujićim polimerom. Taj foto polimer se nakon kaljenja očvrsne na svetlosti i na taj način nastaje model od plastike. Izlaganje ovog polimera uw zracima, svetlosti, je bilo kontrolisano uz pomoć maske. 1984 Čak Hal, razvio je prototip baziran na ovom procesu poznat kao stereolitografija – stvrdnjavanje plastične smole pod dejstvom svetlosti. Hal je par godina kasnije patentirao ovu tehniku i osnovao 3D Systems, između ostalog zahvaljujući i Kodami koji nije na vreme patentirao svoj izum.

Hal definiše ovaj process kao: “Sistem za generisanje trodimenzionalnih objekata stvaranjem obrasca poprečnog preseka objekta koji se formira”, ali ovo je prethodno izmislio Kodama. Halov doprinos je dizajn STL (Stereo lithography) formata široko prihvaćenog od strane 3D printing softvera. Njegov doprinos je i digitalno odsecanje i strategija ispune, danas zajednička za mnoge procese.
Tokom ovih godina pojavljuju se i druge tehnologije i procesi 3D štampe, ali najjednostavnija je metoda nanošenja slojeva. Štampač izbacuje topljenu plastiku na radnu površinu, sloj po sloj. Plastika se hladi i ti slojevi se sjedinjuju. Štampač kreira određeni objekat od dna pomerajući se brzo sa svakim novim slojem ka vrhu.

Januara 2009. godine pojavio se prvi komercijalno dostupan 3D štampač zasnovan na RepRap konceptu.
RepRap projekat je inicijativa razvoja 3D štampača koji može da štampa većinu svojih sopstvenih delova. RepRap (skraćenica za replikujući rapidni prototiper) koristi varijantu modeliranja taložnim stapanjem, aditivne proizvodne tehnologije. Kao otvoreni dizajn, svi tipovi štampača proizvedeni u projektu su objavljeni pod licencom za slobodni softver, GNU-ovom Opštom javnom licencom.
Do danas, RepRap projekat je objavio četiri 3D mašine za štampanje: „Darvin“, objavljen u martu 2007, „Mendel“, objavljen u oktobru 2009, „Prusa Mendel“ i „Haksli“, objavljeni 2010. Autori su ih nazvali po poznatim biolozima pošto je „svrha RepRapa replikacija i evolucija“.

Zbog mogućnosti samorepliciranja mašine, autori predviđaju mogućnost da se RepRap jedinice jeftino dostavljaju ljudima, omogućavajući im da stvaraju (ili preuzimaju sa Interneta) složene proizvode, bez potrebe za skupom industrijskom infrastrukturom, uključujući naučnu opremu. Njihova namera za RepRap je da pokaže evoluciju u ovom procesu.

U srcu RepRapa je ekstruder termoplastike. Rani ekstruderi za RepRap koristili su ozupčen motor jednosmerne struje koji je pokretao šraf koji je čvrsto pritiskao plastično vlakno, primoravajući ga da prođe kroz zagrejanu komoru za topljenje i usku mlaznicu ekstrudera. Međutim, zbog njihove velike inercije, motori jednosmerne struje ne mogu brzo da se pokrenu ili zaustave, pa su stoga teško mogli da se precizno kontrolišu. Stoga, noviji ekstruderi koriste step motore (ponekad ozupčene) da pokreću vlakno, pritiskanjem vlakna između nazubljene osovine i ležaja.
Skoro svaki program za 3D modelovanje ili ked može da se koristi sa RepRapom, sve dok je u stanju da proizvede STL fajlove. Autori koriste alate sa kojima su upoznati, bez obzira da li su komercijalni ked programi, kao SolidVorks, ili programi za 3D modelovanje otvorenog koda poput Blendera ili OpenSCAD-a.

RepRapovi mogu da štampaju predmete od ABS-a, polilaktičke kiseline i sličnih termopolimera.
Materijali koji se koriste za 3D štampu pored plastike su raznovrsni između ostalog i metal. Sve veći broj metala se koristi naročito za industrijsku 3d štampu. Jedan od najačih i najčešće korišćenih metala je nerđajući čelik, koji se koristi u obliku praha, tehnikom sinterovanja, spajanja praha u čvrste objekte. Tehnikom sinterovanja se koriste razni materijali u prahu od metala do keramike. Spajanje praha vrši se pod dejstvom lasera ali se koriste i snopovi elektrona ili fokusirani toplotni izvor. Nerđajući čelik daje prirodno srebrnastu boju, ali se može oblagati i drugim materijalaima koji bi dali bronzani ili zlatni efekat. U poslednjih nekoliko godina koriste se i zlato i srebro kao materijali, sa kojima se može štampati direktno.

Koriste se u industriji za proizvodnju nakita.
Keramika je relativno nova grupa materijala koji se koriste za 3D štampu sa različitim nivoima uspeha.
3D štampani modeli od papira su ekonomični, bezbedni, lako se recikliraju i ne zahtevaju nikakav post proces. Od materijala se još koristi i drvo, stiropor, plastelin. Vode se velika istraživanja vezana za potencijal 3D štampanja bio-materijalima.

Bioprinting podrazumeva uzimanje ćelija i eventualno razmnožavanje van organizma i pravljenje organa za zamenu. Smatra se da ako se uzima ćelija za razmnožavanje od osobe koja će biti primalac, organizam će lakše prihvatiti takav organ. Ovaj deo već zaista deluje kao naučna fantastika sa idejama o besmrtnosti i štampanjem organa koji su nam potrebni.

Eksperementisanje sa štampanjem hrane je učestala nekoliko zadnjih godina. Postoje štampači koji rade sa šećerom, pastom i mesom. Verovatno svi maštaju da štampaju čokoladu ili kompletan obrok. E pa i to se ostvarilo, gigant u svetu 3D štampe 3D Systems je potpisao ugovor sa najvećim proizvođačem čokolade u Severnoj Americi „The Hershey Company“. Posle određenog vremena predstavljen je 3D štampač CocoJet, koji pravi različite oblike od svih vrsta čokolade.

Trenutno vodeće firme u ovoj industriji su 3D Systems, EOS i Stratasys.
Za razliku od ranih štampača 3D tehnologije, koji su bili teški za upravljanje, zahvaljujući gore navedenim firmama postali su dostupni personalni ili kućni 3D štampači. Ceo proces ima osnovu, a to je digitalni fajl, CAD model koji služi kao instrukcija za objekat koji se štampa.

Kada su shvatili koliko ljudi želi da ima kući ovakvu spravu, 3D Systems je napravio svoju verziju komercijalnog pomenutog štampača koji radi na sistemu nanošenja slojeva termoplastike, osnovni model sa jednom glavom za ubrizgavanje plastične mase (štampa u jednoj boji) košta oko 1500 dolara. Cene boljih modela se kreću oko 3500 dolara. Cene savršenijih 3D štampača koji rade sa drugim materijalima su takve da će bez obzira na napredak tehnologije proći neko vreme dok ne budu u masovnoj upotrebi.

Zanimljivosti

Postoje ogromni štampači koji grade kuće od specijalnog betona. U januaru ove godine, Tanjug je preneo vest da je Kineska kompanija Vinsun, koja je specijalizovana za gradnju kuća 3D tehnologijom, pored kuća koja je „odštampala“ prošle godine, otišla korak dalje i odštampala zgradu od pet spratova površine 1100 kvadratnih metara. Zgrada je sagrađena u skladu sa visokim građevinskim i ekološkim standardima. Štampač korišćen za izgradnju ove višespratnice je dugačak 40 metara, širok 6 metara i visok 10 metara. Štampač je proizvodio delove konstrukcije koje su radnici sastavljali. Troškovi zgrade su bili oko 160 hiljada dolara.

Dejli mejl je preneo da inžinjer sa univerziteta u Južnoj Kaliforniji profesor Berok Košnevis razvija tehnologiju kojom bi se gradila kuća na principu tehnologije 3D štampača za 24 sata. On tvrdi da bi se njegovom tehnologijom mogle izgraditi cele kuće sa sve armaturom i instalacijama. Mašina bi izgledala kao veliki pokretni kran koja bi slagala sloj po sloj betona i automatski ubacivala armaturu, vodoinstalacije i elektroinstalacije. Dok se ne napravi ovim sistemom bar jedna kuća, za sada ostaje kao odlična ideja, koja će sigurno uticati na tržište nekretninama.

Kompanija „Build it Workspace“ odštampala je sedmogodišnjoj devojčici Fejt Lenoks veštačku ruku koja je koštala 50 dolara. Protetičar sa univerziteta u Kaliforniji koji je pomogao u dizajniranju ove ruke, izjavio je da proteze sa senzorima koštaju i do 20 hiljada dolara, a odštampana ruka je teška pola kilograma i pristupačna je što je bitno za decu, koja prerastu protezu jako brzo.

U Njujorku je rođena beba sa srčanom manom. Kako je objasnio kardiohirurg Emil Baha za CT Post, srce bebe je bilo puno rupa, a srčane komore su bile slične lavirintu. Podaci sa magnetne rezonance su poslati na 3D štampač i na taj način su odštampali srce bebe i uočili sve nepravilnosti pre operacije. Zahvaljujući ovoj tehnologiji, nisu morali da zaustavljaju srce bebe da bi ga analizirali i nisu morali na licu mesta da odlučuju kakav postupak treba uraditi. Samo jedna operacija im je bila potrebna da osposobe bebino srce za normalan rad.

Poznat je slučaj i mladića iz Kardifa u Velsu, koji je posle saobraćajne nesreće imao velike povrede lica. Uz pomoć 3D štampača napravljena je verodostojna rekonstrukcija njegovog lica, zahvaljujući kome su maksiofacijalni hirurzi vratili mladiću izgled koji je bio skoro identičan kao i pre teške nesreće.

Ovo su samo neki od neverovatnih primera koji su bili mogući zahvaljujući tehnologiji 3D štampača. Istraživajući i čitajući razne tekstove na ovu temu, naišao sam i na tekst u čijem je naslovu pisalo „Zaboravite 3D, štampač, stigao je 4D“, a na fotografiji su cevi koje su urađene 4D konceptom i koje menjaju oblik tj. prilagođavaju se protoku vode. Mislim, da je bar meni potrebno neko vreme da sve ove informacije o 3D konceptu obradim, a u nekom u narednih brojeva časopisa Industrija, doći će na red priča i o 4D štampaču.