Zajímavé využití 3D tisku. K čemu všemu lze použít 3D tiskárnu?

3D tiskárna – použití

Hromadná výroba komponentů s opakovatelným tvarem a parametry již léta nepředstavuje žádný problém. Výroba jednotlivých prostorových forem pro testy, prototypy nebo specifické aplikace však byla vždy problematická – a to i pro průmysl nebo konstrukční kanceláře. Čím složitější byl návrh a čím menší byla jeho velikost, tím více nasazení a času bylo zapotřebí a tím zručnější musel být výrobce. Prostorový tisk se proto ukázal jako revoluce, která prostě musela nastat. V následujícím článku se zabýváme tím, co je to 3D tiskjaké typy 3D tisku existují a jaké má využití ve zdravotnictví, průmyslu, letectví, automobilovém průmyslu a dalších oborech lidské činnosti?

3D tisk – příklady odvětví, kde najde uplatnění

• medicína
• vzdělávání
• architektura
• průmysl
• zábava
• kultura a umění

hry

Kde se vzaly 3D tiskárny?

O metodách 3D tisku se většina lidí dozvěděla až ve 21. století. Samotná myšlenka vytvořit konstrukci, která by fyzicky kopírovala návrh přesně podle technického výkresu, však vznikla již ve 20. století, a co víc, byla realizována a patentována. Nicméně, to ještě nebylo 3D tisk v dnešním slova smyslu, protože konstrukce byla krystalizována – vrstvu po vrstvě – v tekutém polymeru pomocí laserového paprsku. Dnešní 3D tiskárny naproti tomu obvykle pracují na bázi filamentů (umělohmotná vlákna), jejichž postupné vrstvy jsou postupně – tavením v tiskové hlavě – nanášeny na dříve vytištěný díl. Pouze pořadí tvorby tvaru bylo stejné – jak v případě stereolitografie (protoplast 3D tisku), tak i v případě stereolitografie (protoplast 3D tisku). 3D tiskáren proces začínal spodními vrstvami. Zajímavé je, že “správná” neboli dnes nejpopulárnější technologie FDM vznikla až o dva roky později. Naopak největší rozmach vysokorychlostních výrobních metod je spojen s vývojem tiskárny pro domácí použití v polovině prvního desetiletí 21. století.

Použití 3D tisku podle odvětví

3D tisk v medicíně

Mezi nejpozoruhodnější projekty 3D tiskáren patří ty, které se používají v medicíně. Dokážou totiž úspěšně nahradit určité struktury (např. kosti), které byly během vývoje daného organismu poškozeny, zničeny nebo se vůbec nevyvinuly. V roce 2015 lékaři v Poznani implantovali pacientovi velkou část pánevní kosti – pacientovy vlastní tkáně byly poškozeny rakovinou. V té době se jednalo o jednu z největších operací svého druhu na světě.

Dnes se tisknou nejen umělé kosti, ale i měkké tkáně. V roce 2018 se v médiích objevila zpráva, že se vědcům ze Severní Karolíny podařilo vytisknout zcela “hotový” (tj. vybavený nervy a cévami) ušní boltec. Na podobném základě byly vytvořeny také svaly a kosti. Vytištěné orgány zatím nejsou implementovány u lidí, ale zatím byly úspěšně testovány na zvířatech. K reprodukci tkání a orgánů se samozřejmě nepoužívají tradiční plasty, ale celá řada specializovaných hydrogelových materiálů, do nichž jsou vloženy živé buňky. Tímto způsobem budou vědci (a v budoucnu pravděpodobně i lékaři) schopni získat orgán, který se v těle příjemce dokonale ujme a bez rizika tkáňové inkompatibility. Místo dlouhého čekání na dárce by tak příjemci orgánů mohli – samozřejmě ve velmi dlouhodobém horizontu – dostávat orgány vypěstované speciálně pro ně. Takový postup vzhledem ke své úzké vazbě na tkáňové inženýrství nespadá ani tak do oblasti 3D tisku, ale spíše do nového odvětví bioinženýrství, které vzniklo na pomezí mnoha různých oborů – nazývá se bioprinting (a má často blíže ke stereolitografii než k FDM).

Jedná se o velkolepou, ale ne jedinou aplikaci tohoto systému 3D tisku v medicíně. Je již také hojně využíván ve stomatologii, která mimochodem úspěšně “zachycuje” všechny technické novinky (dříve sem patřilo i 3D modelování). Protetické laboratoře se rády odvolávají na modely, které po vyjmutí z 3D tiskárny již není třeba frézovat ani odlévat. Mimochodem, stojí za zmínku, že první aplikace technologie 3D tisku v medicíně byly podobné, neboť se týkaly přípravy předoperačních modelů. Například již v roce 2014 v Gdaňsku lékaři nacvičovali lékařské zákroky na 3D vytištěném modelu lebky, což výrazně usnadnilo samotnou operaci. Takové metody se používají v mnoha náročných specializacích – především v kardiochirurgii.

Využití 3D tiskáren v architektuře

Začněme otázkou, která se zdá být v souvislosti s 3D tiskem v architektuře samozřejmá, což samozřejmě neznamená, že je méně působivá: modely budov. Projektanti vždy vytvářeli prostorové makety, ale jejich ruční reprodukce vyžadovala čas a velkou manuální zručnost. Rozšíření 3D tiskáren celý postup značně zjednodušilo – od nynějška bylo možné připravit jakýkoli model relativně rychle a s nižšími náklady: stačilo poslat vhodně převedený 3D model (jehož zhotovení není pro šikovného architekta žádnou překážkou) do paměti tiskového stroje. Mohlo by se zdát, že rozměrová omezení prototypů v určité fázi postaví hráz dalšímu rozvoji tandemu: architektura plus 3D tisk. Nic nemůže být dále od pravdy. V roce 2014 se jedna šanghajská společnost pochlubila, že “vytiskla” prefabrikované komponenty pro stavbu rodinných domů. A přestože slogan “domy vytištěné 3D tiskem” je zatím jen marketingovou vějičkou, protože montáž prefabrikovaných prvků již probíhala na místě, stopa byla vyšlapána.

Spojení stavebnictví a 3D tisku by mohlo otevřít i myšlenku, která pochází z Nizozemska. Jeden tamní start-up se rozhodl postavit most pro pěší přes amsterdamský kanál. Při stavbě použil vůbec první 3D tiskárny s pohyblivými rameny. Zajímavé je, že použitým materiálem je ocel. A samotná lávka, jakmile bude upevněna na svém konečném místě, bude opevněna řadou senzorů, které budou zaznamenávat chování konstrukce během používání. Další informace – tentokrát o domě o rozloze téměř 100 m2 vytištěném na 3D tiskárně – přišla z Francie. Stavba je dílem několika spolupracujících organizací v Nantes (včetně tamní univerzity) a byla vytištěna z pěny a betonu během několika desítek hodin. O něco déle trvalo sestavení této experimentální stavby.

Při analýze využití 3D tiskáren ve stavebnictví a architektuře nelze opomenout ani výzdobu interiérů. Ve srovnání se stavebními konstrukcemi se výroba nábytku může zdát jako hračka, ale je třeba si uvědomit, že se stále jedná o velké konstrukce. A co víc – musí také projít příslušnými pevnostními zkouškami a poskytnout svým uživatelům očekávanou úroveň bezpečnosti. Jedním z průkopníků výroby nábytku z 3D tiskáren je švédský konglomerát IKEA, který již v roce 2017 oznámil představení kolekce tištěného nábytku.

3D tisk – průmyslové aplikace

Stále častěji je slyšet, že 3D tiskárna ve firmě se brzy může připojit k základnímu vybavení, jako je běžná tiskárna, plotr nebo skener. A i když jistě ne všechna odvětví budou vykazovat poptávku po technologii 3D tisku, projekční kanceláře, inženýrská studia a průmyslové podniky se bez ní již dnes neobejdou. 3D tisk umožňuje neuvěřitelné zkrácení a zjednodušení procesů výroby prototypů – technický výkres převedený do formátu typického pro 3D návrhy a vytištěný je dokonale dimenzovaným prototypem bez ztráty materiálu. Navíc tato technologie umožňuje plnou opakovatelnost v případě tisku několika kopií, např. pro testování daného návrhu. Stále častěji si 3D tisk nachází cestu k výrobě malých sérií specializovaných krytů pro prototypy a zkušební série výrobků.

Další využití 3D tiskáren ve firmách souvisí s procesy takzvaného “reverzního inženýrství”. Další využití 3D tiskáren ve firmách souvisí s procesy tzv. reverzního inženýrství. Ten je založen na formách naskenovaných pomocí 3D tiskárny a následně – po příslušném zpracování – vytištěných metodou FDM. Tato možnost je ideální pro situace, kdy již existuje šablona součásti a je třeba ji rozmnožit. Naskenovanou formu může konstruktér připravit ručně, ale může se jednat například i o existující prvek konstrukce, za který je třeba vyrobit náhradu.

Využití 3D tisku v leteckém a kosmickém průmyslu

Letecký průmysl je jedním z nejnáročnějších odvětví. Materiály, které se v něm používají, musí zaručovat odolnost vůči velmi náročným podmínkám prostředí (kolísání teploty, tlaku, slunečnímu záření, vlhkosti, přetížení a vibracím). Ukazuje se však, že některé filamenty používaná ve specializovaných 3D tiskárnách tyto požadavky splňují. Vytištěné díly již chtějí používat mimo jiné takoví giganti na trhu, jako je Boeing. Mimo jiné i Boeing. Ukazuje se, že jedním z nejdůležitějších úkolů 3D tisku může být nyní rychlá příprava náhradních dílů. FDM filamenty obsahující kovy lze zpracovávat zcela jiným způsobem než “tradiční” kovy používané při odlévání. Vnitřní struktura dílů vytvořených s jejich pomocí může být složitá – ne plná nebo zcela dutá uvnitř, ale vyplněná složitým systémem podpěr, ažurová. Toto řešení má mnoho výhod: nižší hmotnost součásti, méně materiálu použitého při její výrobě, žádné plýtvání materiálem a v důsledku toho nižší výrobní náklady. Samotnými letadlovými díly však aplikace 3D tisku v letectví nekončí.

Fenomenálních výsledků již bylo dosaženo při výrobě nástrojů pro výrobu dílů pro letecký průmysl. Dokonale přizpůsobené nástroje rozhodně usnadňují a urychlují výrobní procesy. Prostorový tisk také poskytuje neocenitelnou metodu prototypování pro letecká inženýrská centra a vědecké jednotky – již v roce 2015 oznámila zavedení této technologie Vojenská letecká továrna z Bydhoště. 3D prototypy vytištěné na 3D tiskárně lze testovat, takže v případě potřeby lze konstrukci rychle upravit a formu vyrobit znovu. Polské letecké muzeum v Krakově se mezitím rozhodlo vytisknout rekonstruované prvky trupu stíhacího letounu Caudron Renault.

Od letectví je již “jen” krůček ke kosmickým technologiím. 3D tiskárny to dokázaly už dávno – a to doslova. V roce 2014. posádka Mezinárodní vesmírné stanice pochlubila prvním tiskem vyrobeným na oběžné dráze kolem Země (šlo o čelní desku s prostorovým nápisem). Ve skutečnosti bylo vytvořeno více zkušebních kusů. Poté byly dopraveny zpět na Zemi, aby se v laboratorních podmínkách vyzkoušelo, zda a do jaké míry se jejich provedení bude lišit od provedení dosaženého na planetě. Pokud jde o vesmírné mise, má 3D tisk velký význam, protože dává účastníkům mise velkou míru nezávislosti na zásobování – v případě potřeby si mohou drobné předměty vyrobit sami, místo aby čekali na jejich dodání. V roce 2019 NASA oznámila ještě odvážnější plány na vytvoření celé kosmické lodi, která by fungovala jako orbitální zařízení pro 3D tisk. Jak už to v podobných snahách bývá, cílem projektu je nejen vytvořit hmatatelné řešení, ale také demonstrovat a otestovat potenciální technologické možnosti.

3D tiskárny v domácnostech a…

Těžko soudit, zda by 3D tisk měl v médiích stejně ohromující kariéru jako dnes, kdyby se v určitém okamžiku nedostal “pod střechu”. K soukromým uživatelům se však technologie 3D tisku dostala poněkud oklikou. Nejprve se na trh dostali vzdálení (a samozřejmě chudší) příbuzní 3D tiskáren, populární 3D pera. Jejich tvar se podobá peru, jehož náplň však neobsahuje inkoust, nýbrž plastovou hmotu zahřátého filamentu, které tuhne ve vzduchu ihned poté, co opustí hrot hlavy. To umožňuje “kreslit” více či méně složité prostorové konstrukce. Pozorování projektů realizovaných nadšenci těchto pomůcek však ukázalo, že i zde lze dosáhnout velmi uspokojivých, dokonce uměleckých výsledků. První 3D tiskárny pro domácnost se naopak objevily kolem roku 2006 a dobyly soukromé dílny nadšenců.

Spektrum aplikací je zde obrovské – od jednoduchých figurek, gadgetů inspirovaných hrami nebo sběratelských skvostů až po komponenty pro modelářské stavby a konstrukce vytvořené s cílem sdílet je s ostatními nadšenci na platformách sociálních médií pod licencí open source. Existují samozřejmě i placené soubory CAD a jejich nabídka je nepředstavitelně široká – na webu najdete celé platformy, které se na poskytování tohoto typu hotových konstrukcí specializují.

Dalo se očekávat, že po 3D tisku rychle využije jedna z nejkreativnějších skupin společnosti, tedy umělci. Například Technopark v Lodži představil kopii sochy Medvídka Uszatka z Piotrkowské ulice, zatímco v Ptaszkowě v Malopolském vojvodství vznikla pomocí 3D tisku kopie cenného díla Wita Stwosze, objeveného před několika lety. Originál tak může putovat do muzea, kde mu bude věnována patřičná konzervační péče, a jeho kopie se dostane na původní místo, kde se reliéf nacházel, tedy do místního kostela. Podobný způsob ochrany památek byl již použit také v Koninu Żagańském, kde byly okopírovány sochy z 16. a 17. století v kostele. V německém Hamburku zase působí start-up s názvem Twinkind, který pomocí metod reverzního inženýrství tiskne miniaturní “dvojče” zákazníka tak, že naskenuje jeho postavu a znovu ji vytvoří pomocí technologie FDM.

Využití 3D tisku ve vzdělávání

V době multimediálních technologií je na tom představivost mladých lidí docela dobře, ale lze jí ještě pomoci. 3D tiskárny mají v tomto ohledu co nabídnout. Již dnes se na nich vytvářejí 3D modely geometrických útvarů, chemických sloučenin nebo šroubovic DNA. Děti a mladí lidé si pamatují a chápou poznatky zcela jiným způsobem, pokud mohou zapojit svůj hmat. Modely vytištěné na 3D tiskárnách podporují experimentování. Účast na procesu navrhování a tisku tělesa se také ukáže jako velké dobrodružství. Na druhou stranu se 3D tiskárny na univerzitách používají profesionálně – při výzkumných experimentech, při tvorbě prototypů a procesech reverzního inženýrství.

Budoucnost 3D tisku

3D tisk je obor, který se rozvíjí všemi možnými směry. 3D tiskárny procházejí postupnou miniaturizací a naopak maximalizací, aby zajistily reprodukci forem libovolné velikosti. Vědci neustále pracují na nových materiálech, které lze pro 3D tisk použít – trvanlivějších, odolnějších vůči vnějším podmínkám, pružnějších, propustnějších nebo izolačních, neutrálních vůči tělu nebo s ním dokonce spolupracujících (např. po transplantacích). Obrovské množství průmyslových odvětví vidí v tomto hledání příležitost pro materiál, který je přesně přizpůsoben jejich potřebám, a to vede k obrovské rozmanitosti samotného sortimentu. Možná se za nějaký čas ukáže, že díky technologii 3D tisku zcela zmizí nutnost hledat dárce orgánů, přestane existovat riziko odmítnutí transplantátu a všechny nedostatky v těle budou nahrazeny vytištěnými orgány. Je pravděpodobné, že na 3D tiskárnách budeme tisknout potraviny, včetně masa. Již nyní je zřejmé, že 3D tisk dokázal proniknout do velmi mnoha oblastí života a jen těžko si lze představit fungování bez jeho výhod.

Širokou nabídku 3D tiskáren, filamentů a příslušenství najdete na našich webových stránkách v kategorii 3D tisk / CNC. Na internetu jistě najdete zajímavé 3D výtisky, které si snadno vyrobíte v každé domácnosti. Přesvědčte se sami!