Přinese 3D tisk další průmyslovou revoluci?

Trojrozměrný tisk není žádnou technologickou novinkou. Nové jsou ale jeho cenové relace, které se přiblížily i kapsám běžných spotřebitelů. S rozvojem konkurence v segmentu si potenciál 3D tisku ve větší míře začínají uvědomovat i podniky ze zpracovatelského průmyslu nebo maloobchodu. Míra přicházející změny není známá, ale rozhodně se dostaví.

3D tiskárna. | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy 3D tiskárna. | foto: Richard Cortés, Česká pozice
3D tiskárna.

Světový trh s 3D tiskárnami poroste každoročně téměř o sto procent. Tvrdí to alespoň analytici společnosti Gartner s výhledem do roku 2017. Ani tehdy se však 3D tisk nestane zcela běžnou technologií, koncoví uživatelé vyčkávají na větší standardizaci segmentu, jenž se příliš rychle vyvíjí. V roce 2017 však globální obrat 3D tiskáren vzroste na 5,7 miliardy dolarů, což znamená, že se v následujících letech pravidelně zvýší o více než 80 procent.

V roce 2012 bylo na světový trh podle informací společnosti IDC dodáno 31 tisíc prostorových tiskáren. O pět let později by mělo jít o 315 tisíc kusů. Největší růst poptávky se očekává v segmentu přístrojů pro domácnosti, tedy s cenou pod pět tisíc dolarů. Předloni se jich prodalo 22,6 tisíce kusů, v roce 2017 má jít o 283 tisíc kusů.

V poslední době získává trojrozměrný tisk nejen na mediální, ale i skutečné popularitě – objevují se jednoduchá zařízení pro domácnosti i pokročilé průmyslové systémy. Historie 3D tisku však rozhodně nezačala před několika málo lety. Vzhledem k jeho technologické jednoduchosti je až překvapující, že se neobjevil v širším nasazení podstatně dříve. Upravit plotter, zařízení pro vektorové kreslení, pro třetí rozměr by nejspíš nebylo až tak náročné. Samotná tisková hlava by mohla vzniknout jako analogie k inkoustovým řešením. A počítačové aplikace pro grafiku a návrhy ve 3D existovaly minimálně od 80. let minulého století. Tak proč najednou ten boom?

„Je spojen s expirací patentů, které umožnily dalším firmám věnovat se vývoji a výrobě 3D tiskáren. Technologie výrazně zlevnila a stala se dostupnější pro více hráčů,“ komentuje současný rozvoj zakladatel a ředitel společnosti be3D David Miklas. Že má rozmach prostorového tisku na svědomí primárně končící patentová ochrana některých technologií, předpokládá také analytik společnosti IDC CEMA Zdeněk Kroužel. Zatímco dříve přístroje prodražovaly statisícové licenční poplatky, menší a nezávislí výrobci hardwaru je nyní mohou nabízet i za desítky tisíc korun.

Jak šel čas...

V roce 1984 vyvinul Charles Hull techniku zvanou stereolitografie. Získal na ni patent a založil firmu 3D Systems, která dnes patří k největším výrobcům osobních, profesionálních i produkčních prostorových tiskáren.

Konkurenční prostor se zahustil koncem 80. let. Objevily se podobné technologie FDM (Fused Deposition Modeling) a SLS (Selective Laser Sintering). FDM dodnes využívá firma Stratasys, kterou založil autor této technologie Scott Crump. Přístup SLS nalezl uplatnění hlavně při výrobě kovových součástek, například protéz nebo prvků leteckých motorů. Často jde o předměty, jež by běžnými technikami ani nešlo vyrobit. Nutno říci, že všechny uvedené způsoby prostorové výroby – o tisku asi nelze zcela hovořit – se stále využívají.

Moderní historie trojrozměrného tisku začala nejspíše v roce 1993, kdy si slavná americká vzdělávací a výzkumná instituce MIT patentovala prostorové tiskové technologie pod názvem 3 Dimensional Printing. Její koncept využíval analogii s inkoustovou technologií běžných dvouprostorových tiskáren, přičemž materiál předmětů vznikal s pomocí práškového materiálu a lepidla. Patent si licencovala firma Z Corporation, dnes součást společnosti 3D Systems.

O další krok blíže k současnému pojetí trojrozměrného tisku se vývoj přiblížil v roce 2000. Tehdy izraelská firma Objet Geometries přišla s technologií zvanou Polyjet. Jak název napovídá, využívá pro prostorový tisk fotocitlivý polymer.

Právě plasty, respektive levné termoplastické materiály se staly spouštěčem novodobého zájmu o 3D tisk. Jejich užití je jednoduché a technologicky i energeticky nenáročné. Mezi nejběžnější typy patří termoplastické ABS (akrylonitril-butadien-styren) a PLA (kyselina polylaktická). Pro tyto materiály se nejčastěji využívá technologie postupného vrstvení FDM.

Vývoj se však nezastavil jen u plastů. Technologicky lze tiskové hlavy upravit a nastavit i pro vosk, sklo, písek nebo kov. Paleta materiálů, a tudíž i možných způsobů nasazení se tímto výčtem zdaleka nevyčerpává. Například z potravinářského oboru se nabízí čokoláda nebo různá těsta. Přípravou 3D stravy pro kosmonauty se zabývá i americká agentura NASA. V Nizozemsku se s pomocí prostorového tisku připravují na výstavbu budov.

Medicínský úspěch

Technologie prostorového tisku představuje vhodný nástroj pro jednorázovou výrobu unikátních předmětů. Alespoň tak jsou 3D tiskárny a jejich schopnosti běžně prezentovány. Mezi prvními je tudíž začaly využívat obory, které jednorázovou a unikátní výrobu běžně využívají. Vedle umělců a návrhářů se tak potenciál trojrozměrného tisku brzy zužitkoval i v medicíně.

Vytisknout chrupavku ucha nebo nosu, kyčelní kloub nebo část lebky? Prostorový tisk to zvládá rychle, levně a neohlíží se na individuální specifika. Pro sestavení počítačového modelu dané náhrady v medicíně slouží technika prostorového skenování, která vytvoří podklad pro prostorovou tiskárnu. V minulém roce byly tímto postupem vyrobeny lidské čelisti, lebeční kosti a kloubní náhrady.

Na Cornellově univerzitě vloni lékaři vyrobili ušní chrupavku pro dítě, jemuž se jedno ucho nevyvinulo. Materiál pro 3D tiskárnu sestával z hustého gelu s buňkami z chrupavky skotu a z kolagenu z krysích ocasů. Implantát musel být delší čas šlechtěn v buněčné kultuře, ale ve finále dítě dostalo plnohodnotnou lidskou chrupavku ve tvaru ucha.

Na podobném principu vědci z Institutu pro regenerativní lékařství Wake Forest připravují funkční ledvinu. Z biologického materiálu vytisknou její strukturu, do níž implantují pacientovy buňky získané biopsií. Při kultivaci vzniká tkáň, která zaplňuje formu z 3D tiskárny. Nutno ovšem podotknout, že takto navržená ledvina doposud není funkční. Na stejném pracovišti vznikají i kožní štěpy. Jejich vývoj již finišuje a připravuje se i mobilní tiskárna, která by našla využití například v armádě nebo při katastrofách. Na poškozenou tkáň se nanáší několik vrstev enzymů, kolagenu a kožních buněk.

Na tisk cévního systému se zaměřují výzkumníci z MIT a Pensylvánské univerzity. Využívají polymer z kukuřice a dokázali již přenést cukr z cévy i do ní. Také jde pouze o fázi pokusů a testování. Na Washingtonské státní univerzitě tisknou keramické celé kosti s perforovanou strukturou. Do ní zanesou lidské kostní buňky a následně ji implantují pacientovi.

Americká společnost Organovo a vědci z čínské univerzity v Chang-čou vloni dokázali vytisknout vzorek jaterní tkáně s pomocí živých buněk. Technologie se stále zdokonaluje a aktuálně obě strany řeší, jak do orgánu zavést cévní řečiště.

Nasazení prostorového tisku v mnoha případech pohání kompletní technické a programové zázemí z kategorie open source: software i hardware jsou vyvíjeny a distribuovány pod otevřenou licencí.

Česká stopa

Poměrná technologická jednoduchost v oblasti prostorového tisku dala vyniknout i tuzemským subjektům.

  • Pod značkou be3D vyvíjí a prodává své výrobky pražská společnost DO-IT. Vedle vlastních tiskáren nabízí i tiskové služby nebo počítačové modely. Spravuje rovněž komunitu vývojářů a provozovatelů prostorových tiskáren.
  • Značku 3Dfactories na trhu etabluje strážnická společnost Aroja. K jejím počinům patří i údajně největší prostorová tiskárna na světě Maxi, představená vloni v říjnu. Podle informací firmy projevují největší zájem o 3D tiskárny školy a architekti.
  • Tuzemským stoupencem open source vývoje prostorového tisku se stal Josef Průša. Trojrozměrným tiskárnám se věnuje od roku 2009. Všechny jeho výstupy kryjí volně šiřitelné licence v rámci projektu RepRap – tiskárnu si tedy můžete postavit sami. Firma Prusa Research nabízí konzultace, školení nebo sestavené modely z vlastního vývoje.

Stroje bez práce?

Vrátit průmysl do vyspělých států a do jejich měst. I tak lze parafrázovat snahu rozvíjející se americké společnosti Shapeways, která pronajímá trojrozměrné tiskárny návrhářům a umělcům. Její zakladatel Peter Weijmarshausen věří, že výroba může mít lokální charakter. Jeho „Shapeway factories“ mají navrátit průmyslovou výrobu do měst, zlevnit ji a současně snížit dopady na životní prostředí. Součást jeho vize tvoří i minimální náklady na přepravu.

Zatímco současná realita pracuje s masovou a vzdálenou výrobou v povětšinou asijských zemích, 3D tisk by namísto přepravy zboží přes půl světa mohl nabídnout lokální dodávky, malé výrobní série a nejspíš i srovnatelnou cenu. Jestliže dříve lidem braly práci stroje, dnes ji trojrozměrné tiskárny berou strojům. Alespoň hypoteticky.

Továrny společnosti Shapeways fungují v New Yorku a v nizozemském Eindhovenu. Obchodní model je postaven na službě vzdáleného tisku: zájemci pošlou soubor se specifikací předmětu a určením materiálu, výtisk si odeberou osobně nebo je jim zaslán. Výhoda přístupu spočívá v možnosti Shapeways využívat nejdražší dostupné stroje a materiály. Denně firma zpracuje na 1500 objednávek, vedle plastových výrobků i předměty ze zlata, stříbra nebo mosazi.

Do budoucna chce Shapeways ještě více rozvíjet úspory z rozsahu a zvyšovat svou globální přítomnost. Dodavatelský řetězec se v mnohém může změnit – pokud vznikne poptávka po určitém produktu, vyrobí se ho s pomocí 3D tisku přesné množství. Cena bude navíc dopředu známá. I kusové zakázky by tudíž mohly být dostupnější široké veřejnosti. Půjde též realizovat projekty, které by dříve vznikaly opravdu jen v kusech a ruční výrobou.

Podobný přístup k produkčním zařízením by mohl výrazně změnit podobou současného zpracovatelského průmyslu. Do značné míry by přestalo záležet na objemu výroby, ceně pracovní síly, vzdálenostech přepravy, celních podmínkách. Produkce by se lokalizovala a její nákladové parametry by v podstatě byly průběžně známé a téměř veřejné.

S vizí firmy Shapeways však příliš nesouhlasí David Miklas z firmy be3D: „Současné technologie 3D tisku s velkou pravděpodobností tradiční výrobní metody nikdy nenahradí, alespoň dokud se výrazně nezrychlí a nezlevní. 3D tisk se hodí pro účely prototypování. Díky užití termoplastů je sice velmi levný, ale časově náročný. Vstřikolisové formy budou pro masovou výrobu vždy efektivnější.“

Velkosériová konkurence

Potenciál v prostorovém tisku doposud využívaly primárně subjekty ze Severní Ameriky a západní Evropy. Nejrychlejší tempo nasazování nových strojů však podle společnosti Gartner vykazuje Čína. Tamější producenti 3D tiskových technologií se rovněž zařadili po bok etablovaných amerických firem. Otázkou tedy je, zda čínské továrny záhy nepřekvapí svět změnou výrobní technologie.

V oblasti velkosériového průmyslového nasazení by situaci mohli změnit hráči, kteří se na pole trojrozměrného tisku teprve chystají vstoupit. Jedním z nich je i společnost Hewlett-Packard. Cílem je vytvořit 3D tiskárny pro malosériovou výrobu, které by produkovaly výstupy v rámci minut. Dnes jde spíše o desítky minut až hodiny. Z hlediska efektivity však podle Miklase budou mít velké série produkované pomocí vstřikolisu nebo vakuového lití stále navrch. S nižšími jednotkovými náklady na produkci u tradičních způsobů argumentuje i Zdeněk Kroužel z IDC. Jiná situace však podle něj nastává u specifických výrobků dodávaných v malých sériích nebo kusově, změny nastavení a podoby produkce jsou u 3D tisku velmi levné a rychlé. David Miklas z be3D dodává, že úspěšně nahrazeny trojrozměrným tiskem mohou být v mnoha případech tzv. substraktivní technologie, k nimž patří například obrábění CNC. Doba výroby i složitost procesu se zde nemusejí lišit, případně vyznívají lépe pro tiskový přístup.

U sériového nasazení prostorového tisku v průmyslu Kroužel předpokládá, že se stále klesající cenou a zvyšující se rychlostí nejsofistikovanějších 3D systémů dojde postupně i k pronikání do výrobních procesů vyžadujících vyšší kapacity výstupu s mnohem nižšími náklady na jednotkovou výrobu finálního produktu. Určitě to ale není otázkou nejbližších několika let.

Predikovat další vývoj 3D tisku se nejspíš nikdo neodváží. Miklas ale předpokládá, že na spotřebitelské úrovni dojde k rozšíření domácích zařízení a ke vzniku specializovaných provozoven s 3D tiskárnami. Koncoví uživatelé si pak dle vlastních nebo zakoupených modelů budou vyrábět nejrůznější kusové zakázky, včetně náhradních dílů, sami.

Jak to funguje

Metod trojrozměrného tisku existuje několik, nejběžnější je ale princip postupného vrstvení plastů (FDM).

  • Stereolitografie vytváří prostorové objekty s pomocí postupného vytvrzování polymerů, resp. jejich vrstev, vlnovým zářením různých délek, nejčastěji UV. Jde o jednu z nejpřesnějších metod 3D tisku.
  • FDM (Fused Deposition Modeling) pracuje s pohyblivou tiskovou hlavou, do které je pod tlakem přiváděn materiál, nejčastěji termoplast. Roztavená hmota prochází tryskou a vytváří souvislé plochy. FDM patří k nejužívanějším technologiím 3D tisku.
  • SLS (Selective Laser Sintering) využívá laserový paprsek k tavení a spékání jemných zrnek tiskového materiálu do požadovaného tvaru. Dokáže pracovat s plasty, kovem nebo i se sklem. Nedokáže vytvářet uzavřené dutiny.
  • Technologie PolyJet využívá dvou či více tiskových hlav a materiálem jsou zde fotopolymery citlivé na záření UV. Jedna hlava vytváří samotný model, druhá podpůrnou konstrukci.
  • 3 Dimensional Printing představuje prostorovou tiskařskou techniku, která pracuje s práškovým materiálem a tekutým spojovačem.

Diskuse neobsahuje žádné příspěvky.