3D štampa

3D štampač

3D štampa je moderna tehnologija proizvodnje trodimenzionalnih objekata. U trodimenzionalnoj štampi objekat se kreira sukcesivnim nanošenjem slojeva materijala. 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. 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

Američki izumitelj Chuck Hull je 1986 odštampao prvi trodimenzionalni predmet. U pitanju je bila plastična šolja napravljena tehnikom stereolitografije (stvrdnjavanje plastične smole pod dejstvom svetlosti). Tri godine kasnije Hal je patentirao ovu tehniku i osnovao kompaniju 3D Systems. Danas je ona jedna od vodećih kompanija na svetu u polju 3D štampanja. U ovoj kompaniji razvijen je prvi format za 3D štampanje – STL (od termina stereolitografija). Krajem osamdesetih godina, Skot Kramp je postavio osnove za modeliranje spajanjem nanošenih slojeva FDM (Fused Deposition Modeling). Kramp je patentirao ovu tehniku i osnovao kompaniju Stratasys. Ovo je jedna od najzaslužnijih tehnika za ekspanziju 3D štampanja u svetu. Krajem prošle godine, Stratasys se spojio sa kompanijom Objet još jednim velikim igračem u svetu 3D štampe. Irska kompanija „Mcor Technologies“ od sredine prošle decenije radi na usavršavanju procesa laminovanja raznih materijala za stvaranje trodimenzionalnih objekata. Uređaji jednostavno isecaju tanke slojeve papira, metala ili plastike i lepe ih jedne na druge. Njihova mašina „Mcor IRIS“ koristi klasičan papir A4 formata za 3D štampu, a svaki sloj može da se oboji pre lepljenja, tako da finalni sloj nije ograničen na jednu ili nekoliko boja kao što je slučaj kod većine tehnika 3D štampe. Upravo zbog toga što se koristi običan papir, mnoge fotokopirnice širom sveta počele su da nude usluge 3D štampanja na ovom uređaju. Sredinom osamdesetih godina 20. veka na Univerzitetu Koronel pod pokroviteljstvom američke agencije za istraživanje naprednih vojnih projekata (DARPA, Defense Advanced Research Projects Agency), nastala je tehnika sinterovanja (spajanje praha u čvrste objekte). Kod ove tehnike može da se koristi širok spektar materijala u prahu, od metala preko plastike i keramike. Samo spajanje praha vrši se pod dejstvom energetskog zraka, najčešće lasera, ali mogu da se koriste i elektronski snopovi kao i fokusirani toplotni izvori. Profesori koji su osmislili i patentirali ovu tehniku osnovali su kompaniju „DTM“. Godine 2001. Najveći konkurent „DTM-a“, „3D Systems“, kupio je kompaniju zajedno sa svim njenim patentima. I pored svih očiglednih prednosti ovi štampači su i dalje bili namenjeni samo kompanijama i dugo vremena niko nije zamišljao da bi ljudi uz svoj kućni računar želeli da imaju i 3D štampač, sve do 2005. godine. Inspirisani razvojem računara „Atlair 8800“, studenti sa Univerziteta Kornel pokrenuli su projekat „Fab@Home“, čiji je cilj bio dizajn „open source“ sistema za 3D štampanje, koji bi ljudi mogli sami da naprave kod kuće. Kao rezultati ovog projekta pojavili su se planovi za izradu dva različita modela. Iste godine kada je i „Fab@Home“, započeo je i projekat RepRap sa još ambicioznijim ciljem – da se napravi 3D štampač koji je u stanju da sam sebi pravi komponente i rezervne delove! Uređaji iz oba projekta koriste tehniku FDM (preimenovanu iz pravnih razloga u FFF – Fused Fillament Fabrication). Termoplastika se zagreva kroz specijalnu mlaznicu i nanosi na podlogu sloj po sloj dok predmet ne bude zavrešn.„Fab@Home“ i RepRap i danas postoje. Njihova iskustva možete i sami iskoristiti da sastavite 3D štampač. Ipak nasleđe ovih projekata je prešlo u komercijalni domen. Po isteku važnosti prvih patenata za FDM tehnologiju 2009. Godine osnovana je kompanija MakerBot, čiji su štampači namenjeni onima koji kod kuće žele da se bave modelima i tehnikom. MakerBot-ovi uređaji prodaju se kao kompleti koje korisnici sami sklapaju u gotov štampač, samim tim su jeftiniji i pristupačniji širem krugu ljudi.

Tehnike 3D štampanja

Po tehnici 3D štampanja možemo razlikovati tehnologije

1. Inkjet
2. Fused Deposition Modeling (FDM)
3. Stereolitografija
4. Selektivno lasersko sinterovanje (SLS)
5. Proizvodnja objekata laminacijom (LOM)

Inkjet

Jedan od osnovnih načina 3D štampe je u stvari nadogradnja na klasičan Inkjet. štampač. Model se pravi jedan po jedan sloj (od gipsa ili smole), a inkjet raspršuje vezivno sredstvo u obliku modela koji se štampa. Ova tehnologija je jedina sa kojom je moguće štampanje prototipa u punoj boji

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused deposition modelling: 1 – mlaznica za izbacivanje istopljene plastike, 2 – naslagani materijal (model koji se izrađuje), 3 – kontrolisana pokretna podloga

Ovom metodom, slojevi se dobijaju tako što mlaznica istiskuje tanko vlakno istopljene termoplastike na površinu za štampu. Slojevi se prave ukršteno, tj. svaki sloj se istiskuje pod uglom od 90° u odnosu na prethodni (slika 2.2). Time se postiže čvrstina završnog modela. Moguće je koristiti nekoliko različitih materijala za štampu, sa različitim karakteristikama, u čvrstini i temperaturnim osobinama. Danas postoje i materijali koji su rastvorljivi u vodi. Oni se mogu koristiti prilikom štampe kao privremena podrška za određene delove. Ovo je trenutno najrasprostranjeniji vid 3D štampe.

Stereolitografija

Stereolitografija

U stereolitografiji modeli se proizvode tako što zrak UV (ultra ljubičastog) svetla prelazi preko bazena sa fotoosetljivom tečnošću (slika 3). U toku izrade model se spušta u kadicu sloj po sloj, dok se ne dobije finalni proizvod. Još jedna prednost ove vrste tehnologije 3D štampe je visok nivo detalja i obrade završne površine. Jedna od glavnih prednosti ove metode štampanja je njena brzina. U ovoj tehnologiji isti modeli se proizvode i do 5 puta brže nego u svim ostalim tehnikama. U ovoj tehnologiji je interesantno otkrivanje završnog proizvoda. Nakon što je štampanje dela završeno, On se lagano uzdiže iz kadice sa rastvorom fotopolimera od koga je i napravljen. Ovo je mnogo jednostavnije od lomljena viška konstruktivnih elemenata, koje je neizostavno kod ostalih vidova štampe.

Selektivno lasersko sinterovanje (SLS)

Selektivno lasersko sinterovanje

Ova metoda je spoj 3D štampe i lasera. Proces je sličan stereolitografiji, sa razlikom što je UV svetlo zamenjeno laserom, a bazen sa fotopolimerom sa praškastim materijalom. Glavna prednost SLS je mogućnost da se delovi proizvode od širokog dijapazona materijala, plastike, keramike i metala.

Proizvodnja objekata laminacijom (LOM)

Proizvodnja objekata laminacijom

Ovde se koriste slojevi materijala (obično papira ili plastike) isečeni laserom ili sečivom, koji se nakon toga spajaju lepkom. Jedna od najnovijih mašina ovog tipa je Mcor Matrix, koja koristi običan A4 papir i lepak na vodenoj bazi. Ovome se postiže mnogo manja cena izrade modela, bez štetnih uticaja na životnu sredinu.

Primena 3D štampača

1. Izrada prototipova
2. Štampane kuće
3. Pravljenje hrane
4. Medicina
5. Svemir

Izrada prototipova

Jedna od najvećih primena uvek će biti, korišćenje pri izradi prototipova novih uređaja i predmeta, gde je dizajnerima omogućeno da predmete koje su zamislili i nacrtali drže u rukama za nekoliko sati umesto da čekaju na izradu i izlivanje predmeta skupom tehnologijom kalupa

Štampane kuće

Kompanija WinSun iz istočne Kine odštampala je u jednom danu 10 kuća u punoj veličini, koristeći 3D štampač. U tom postupku korišćen je cement koji se brzo suši, ali su tvorci oprezni i još uvek ne otkrivaju tajnu ove nove tehnologije. Kompanija je kuće pravila u štampaču širine 10 metara i visine 6,6. Zidovi su pravljeni sloj po sloj od cementa i usitnjenog građevinskog otpada. Pronalazač štampača „Ma Jihe“ je kazao da je za dobijanje prirodnog kamena potrebno iskopati blokove i usitniti ga u delove. Ovaj kompletan proces utiče na životnu sredinu. I pored toga što mu je za kreiranje 3D štampača trebalo 12 godina, Jihe je izjavio da će ovaj proces biti koliko ekološki, tako i ekonomski isplativ. Sa njegovim 3D štampačem se reciklira rudarski otpad i pretvara u upotrebljive materijale. Krajnji cilj je da njihov štampač može da odštampa svaki digitalni oblik koji im budu doneli njihovi klijenti, po pristupačnoj ceni. Korišćenje ovih tehnologija smanjuje izloženost građevinskog radnika prašini, a provera kvaliteta štampanih zgrada sprovodiće se nezavisno za svaki objekat. Ove nove 3D kuće još uvek nisu obuhvaćene kineskim zakonodavstvom. Trenutna serija kuća je jednospratne strukture, a kompanija se nada da će istu tehnologiju moći da primene i na izgradnju nebodera. U Amsterdamu 100 godina nakon što su bogati trgovci krenuli da grade, uzane kuće od cigle koje Amsterdamu daju njegov karakteristični pečat, holandske arhitekte pomoću 3D štampača prave savremenu verziju kuće pored kanala tako što proizvode plastične komponente i sklapaju ih poput Lego kocki. Prema rečima Hedviga Hajnsmana iz arhitektonskog studija „Dus”, glavni cilj pokretanja ovog demonstracionog projekta nije štampanje cele kuće, već njenih delova. Ovi delovi će prateći razvoj 3D-štampanja tokom perioda od tri godine, verovatno biti više puta menjani, dorađivani i usavršavani. Svrha ovog projekta, je pre svega, da se otkriju mogućnosti primene 3D štampanja u građevinarstvu – proizvodnjom novih materijala, i tehnika izgradnje. „Jedini način da to saznamo jeste da to napravimo”, kaže Hajnsmanova supruga, koja zamišlja budućnost u kojoj će svako za sebe praviti jedinstvene arhitektonske oblike na licu mesta, ili birati gotove arhitektonske projekte u internet prodavnici. U središtu projekta je 6 metara visok štampač “Kamermaker” (direktan prevod graditelj prostorija). Reč je o uvećanoj verziji kućnog 3D štampača koji proizvodi “Ultimaker”, popularna među onima koji se iz hobija bave 3D štampanjem. Da bi, sloj po sloj, odštampao jedan blok u obliku pčelinjeg saća, “Kamermakeru” je potrebno oko nedelju dana. Prvi odštampani blok, koji čini jedan ugao zgrade i deo stepeništa, bio je težak 180 kilograma. Ideja je da kasnije ovi blokovi budu ispunjeni nekom vrstom penastog materijala, koji je još u fazi razvoja, a koji će moći da se stegne poput betona. On će blokovima dati dodatnu težinu i povezati ih u jednu celinu. Ovo „Gradilište” na severu Amsterdama je i izložba, koji zainteresovani mogu da posete za 2,50€.

Pravljenje hrane

Kompanija ChocaByte iz Sidneja osnovana je prošle godine sa ciljem da napravi 3D štampač koji štampa predmete od čokolade. Ovaj štampač radi na veoma jednostavnom principu koristeći FDM, i izrađuje predmete maksimalnih dimenzija 5,8 x 2,54 x 2,54 cm. Korisnici mogu da biraju između 100 unapred spremljenih šablona, a za izradu predmeta potrebno je imati posebne kertridže koji koštaju između 4 i 6 dolara. Aparat za domaćinstvo Fudini uskoro bi nam svima mogao omogućiti da uživamo u svojim omiljenim jelima iz 3D štampača. Proizvođači ovog uređaja, za svoj proizvod tvrde da predstavlja savršen spoj, hrane, umetnosti i dizajna. Za ovaj uređaj kažu da može da napravi bilo šta. Od čokoladnih štanglica do raviola. Očekuje se da će se ovaj uređaj naći u prodaji u narednim mesecima, po ceni od oko 100€. Njegova punjenja čine kapsule napunjene svežim sastojcima od kojih se željeno jelo sprema. Korisnik zatim bira izgled hrane, a ona se štampa tako što se u slojevima nanose različiti sastojci. Kompanija „Natural machines”, koja je razvila ovu mašinu, predlaže i korišćenje, uređaja od strane roditelja koji žele da obraduju svoje najmlađe štampajući hranu u obliku životinja ili likova iz crtaća. Linet Kučma, jedna od osnivača kompanije je i bivši menadžer za javnost kompanije „Microsoft”. Ona otkriva da se proizvođač nada da će mu glavne mušterije biti domaćinstva i restorani, a interesovanje su pokazale i prodavnice hrane na malo, neke žele da prodaju hranu koju bi odštampale, a druge žele da prodaju različita punjenja za štampače. Ipak „Fudini” još uvek ima svojih ograničenja. One ne obavlja automatski sav posao u kuhinji, i zapravo ne kuva hranu. Ako imate sve sastojke i znate da pripremite obrok, to će sigurno još neko vreme biti mnogo bolje. Glavna prednost Fudini-ja, je da on čini hranu lepšom i zanimljivijom.

Medicina

Britanska kompanija Fripp Design Arhivirano na sajtu Wayback Machine (27. novembar 2020) započela je revoluciju u svetu rekonstruktivne hirurgije korišćenjem tehnologije 3D štampanja. Tehnika ove kompanije iz Šefilda podrazumeva prikupljanje 3D podataka primenom bezbolne fotogrametrije. Ova tehnika nizom kamera pravi slike, a zatim ih spaja u jedinstven 3D model. Ovi podaci se potom ukrštaju sa magnetnom rezonancom i kompjuterskom fotografijom kako bi se postiglo savršeno uklapanje sa licem osobe za koju se pravi proteza. Ovako se mogu kreirati novi delovi tela umesto oštećenih. Novim organima moguće je dodavati čak i pore i mladeže kako bi izgledali što realnije.

Postupak reparacije uveta, započeo bi korišćenjem odraza drugog uveta, ili fotogrametrijom, uveta, nekog od članova porodice. Ceo proces stvaranja digitalnog modela traje nekoliko sati, a štampanje je gotovo za nekoliko dana. Proces samog štampanja je posebno osetljiv, s obzirom da je jako teško postići izgled identičan organskom tkivu. Sa druge strane, pričvršćivanje novog dela tela je jednostavno korišćenjem neke od već poznatih tehnika kojima se služe hirurzi.

Erik Morgan (60), koji je izgubio pola lica nakon što je oboleo od raka danas može razgovetno da govori, jede i pije zahvaljujući novom licu sa 3 štampača. Morgenu je odstranjena gotovo cela leva strana lica, Nakon što mu je otkriven agresivni tumor. Četiri godine kasnije on je dobio novo protetičko lice. Njegovo novo lice, prvo te vrste u Velikoj Britaniji, napravljeno je primenom tehnologije 3D štampanja. Na osnovu digitalnih snimaka na osnovu odraza neoštećene strane lica načinjene su slike kako bi lice trebalo da izgleda. Nakon toga je 3D štampač, sloj po sloj napravio najlonski kalup koji je upotrebljen za izradu proteze. Hirurzi su nedavno objavili da su uspeli da 75% lica zamene implantima koji su napravljeni 3D štampanjem. Na osnovu načinjenih snimaka napravljeni su modeli implanta. Potom su implanti napravljeni uz pomoć 3D štampača u kompaniji “Oxford Performance Materials” u Konektikatu slaganjem posebnih slojeva nove vrste plastike polieterketonketanona (PEKK). Pacijent je uspešno operisan 4. marta 2014 godine i to je prvi takav slučaj u Americi od kada je sredinom februara 2014 odobreno korišćenje ovakvih implanata.

3D štampači u svemiru

Američka svemirska agencija NASA objavila je da je uspela da uspešno odštampa prvi 3D objekat u svemiru. Ovime će se drastično smanjiti troškovi za slanje delova i alata jer će ih na stanici proizvoditi od plastičnih niti. Ovaj aparat u svemirskoj tehnologiji iz NASA je malih dimenzija, veličine tostera. U laboratorijama NASA, na 3D štampačima se prave i mali sateliti kao i rezervni delovi i delovi raketa koji mogu da izdrže ekstremne temperature. Koturi plastičnih niti mogli bi da zamene mnoštvo do sada potrebnih alata i delova opreme čije je slanje u svemir do sada bilo neophodno. Predstojaće testiranje 3D štampača na svemirskoj stanici pokazaće gde su granice ove tehnologije.

Vidi još

• RepRap

Spoljašnje veze

• Business Week: 3D štampa u praksi
• 3D štampa
• Trendovi- 3D štampa
• Tehno umetnost u 3D štampi Arhivirano na sajtu Wayback Machine (13. septembar 2009)
• 3D štampači menjaju svet kopiranja Arhivirano na sajtu Wayback Machine (1. februar 2010)
• Čarobni štampači donose revoluciju u štampi Arhivirano na sajtu Wayback Machine (11. oktobar 2008)