3D printanje

Aditivne tehnologije, znane kao 3D printanje, su prisutne od kraja 20. stoljeća. Naime, korijene 3D printanja postavio je gospodin Charles Hull 1984. godine izumom stroja za printanje objekata iz CAD datoteka. Stroj se sastojao od četiri glavna elementa: spremnik koji se punio tekućom plastikom (fotopolimer), platforma koja se spuštala u spremnik, UV laser te računalo koje je kontroliralo laser i platformu. Proces se odvijao u par koraka. Prvi korak je bio otkrivanje tankog sloja fotopolimera iznad platforme, gdje bi se instantno kristalizirao pri kontaktu s UV laserom. Nakon što je prvi sloj odrađen, platforma bi se spustila niže te tako otkrila novi sloj tekuće plastike, koju bi laser ponovno kristalizirao po objektu koji treba biti printan te bi se ta dva dijela instantno povezala. Takav se proces ponavljao sve dok cijeli objekt ne bi bio dovršen te bi se platforma izdigla i pokazala dovršeni 3D objekt.

U ovakvim počecima 3D printanje najjednostavnih objekata je trajalo dugo. Mali objekti koje bi radili mali strojevi su obično bili gotovi između šest i dvanaest sati, ovisno o veličini objekta i stroja. Veći objekti, s dimenzijama od nekoliko metara, bi se proizvodili danima.

Iako je 3D printanje dugo u upotrebi, tek je odnedavno postalo široko dostupno. Tome je doprinijelo nekoliko faktora – mogućnost korištenja nekoliko tipova materijala, sve jeftiniji troškovi samog printanja te eksponencijalno rastuća tehnološka postignuća.

3d printer

U samom svom početku 3D printanje je korišteno za stvaranje plastičnih figurica ili prototipova različitih proizvoda ili ideja. Tehnološkim napretkom danas je moguće stvarati proteze, modele ili elektroničke proizvode u prirodnoj veličini. Uzevši u obzir sve to, najveći potencijal 3D printanja leži u samoj industriji, pogotovo na medicinskom području.

Naziv aditivne tehnologije ili aditivna proizvodnja definiran je 2009. godine kao krovni termin sa strane međunarodne komisije ASTM International Commitee. Danas se koristi više vrsta aditivnih tehnologija. Kao što je prije navedeno, stereolitografija je prvi postupak aditivne proizvodnje predmeta sloj po sloj. Taložno očvršćivanje, FDM (eng. Fused deposition modeling), je opće poznato kao 3D printanje. Predmet se stvara tako da polimerni materijal prolazi kroz mlaznicu gdje se zagrijava i sloj po sloj taloži na radnu površinu prema kreiranom predlošku. Ovakvu tehnologiju koristi preko 40% uređaja koji su trenutno u uporabi. Izrada objekata laminiranjem vrši izradu proizvoda tako da laserom, sloj po sloj, reže laminirani materijal postavljen na prethodno odrezani sloj. Selektivno lasersko taljenje, SLM (eng. Selective laser melting), koristi se za izradu elemenata visoke gustoće. Praškasti materijal, pomoću lasera, dovodi se do točke tališta te se on „lijepi“ za prethodni sloj.   Taljenje s pomoću snopa elektrona, EMB (eng. Electron beam melting), je metoda kojim se predmet gradi sloj po sloj na način da se tali sloj metalnog praha uz pomoć snopa elektrona.

Aditivne tehnologije mogu se podijeliti na brzu izradu prototipova i brzu izradu alata te brzu proizvodnju koja povezuje izradu prototipova i alata kod proizvodnje konačnih proizvoda u manjim serijama. Brza izrada prototipova (eng. Rapid prototyping) naziv je za skup tehnologija koje inženjerima omogućavaju stvaranje fizičkog modela proizvoda u razvoju direktno iz projektnog CAD, računalno potpomognutog dizajna, modela bez potrebe za dodatnim radnim operacijama. Izrađeni model je potpuno funkcionalan bez obzira na kompleksnost projektiranog modela. Ovakva izrada prototipova omogućava brži razvojni ciklus, mogućnost prezentacije još nedovršenog proizvoda potencijalnim klijentima i implementaciju njihovih zapažanja i primjedbi. Brza izrada alata (eng. Rapid tooling) koristi se tijekom projektiranja proizvodnje. Kod masovne izrade proizvoda potrebno je projektirati alate, npr. kalupe za prešanje, lijevanje, injektiranje i slične proizvodne postupke. Izrađuju se alati aditivnim tehnologijama kako bi se proizvodnja optimirala i kako bi se uočili i uklonili nedostaci. Osim brzine izrade takvih alata, oni su i znatno jeftiniji što smanjuje troškove predproizvodnje.

Prema procjenama vrijednost aditivne proizvodnje 2019. godine iznosila je preko 9 milijardi dolara, što je neznatan dio u odnosu na kompletnu industriju, ali je vidljiva promjena trenda u sve  promjenjivijem okruženju poslovanja i razvoju novih proizvoda. Već je nekoliko novonastalih kompanija koje se bave proizvodnjom strojeva za aditivne tehnologije i aditivnom proizvodnjom dostiglo tržišnu vrijednost preko milijardu dolara te sve više proizvođača opreme za tradicionalnu obradu širi asortiman aditivnim strojevima. Također se razvila i nova grana industrije koja se bavi proizvodnjom materijala, prahova, tekućine, filmova koji se koriste u procesu aditivne proizvodnje. 

Moderni uređaji imaju mogućnosti stvaranja vrlo velikih predmeta. Jedan od najvećih komercijalnih uređaja koji ima mogućnost rada sa više materijala, kombinacija plastike, metala i keramike, istovremeno ima radno područje veličine 2000 x 800 x 600 centimetara i najveće mase predmeta od 250 kilograma. Najveći napravljeni izradak je brod napravljen na fakultetu pomorskih konstrukcija u Sjedinjenim Američkim Državama. Isprintani brod je dužine 7.6 metara i težine 2200 kilograma, a ispis je trajao 72 sata. Uređaj koji je korišten za ispis broda koristi se samo za istraživanja, a ima mogućnost ispisa izratka do 30 metara dužine, 6.5 metara širine i 3 metra visine sa maksimalnom količinom ispisa od 200 kilograma materijala na sat.

U općoj industriji, 3D printanje ima sve veće mogućnosti jer danas 3D printeri rade s materijalima kao što su titanij, čelik, aluminij, željezo i bakar te kao takvi predstavljaju veliki napredak u automobilskoj i svemirskoj industriji. Industrije se mogu više orijentirati na funkcije svojih proizvoda jer iz fokusa može ispasti razmišljanje o tome kako će se proizvod slagati. Posljedično, proizvodnja se ubrzava, smanjuju se troškovi proizvodnje te se se stvara manje otpadnog materijala (40 do 70 posto) u odnosu na tradicionalni način proizvodnje. Primjera radi, proizvodnja jedne robotske ruke klasičnim načinom proizvodnje košta 10 000 američkih dolara i traje prosječno 4 tjedna. 3D printanjem se proizvede za 600 dolara za 24 sata. Airbus je objavio da zrakoplov A350  koristi u proizvodnji preko 1000 dijelova koji se izrađuju 3D printanjem, dok je Američko i Izraelsko ratno zrakoplovstvo počelo 2015. koristi 3D printere za izradu određenih rezervnih dijelova zrakoplova.

Na području medicine 3D printanje je važno iz nekoliko krucijalnih razloga. Prvi razlog je mogućnost posjedovanja medicinskih uređaja na zahtjev koji se ne plaćaju preskupo. 3D printeri mogu printati stente, bandaže pa čak i kirurške elemente brzo i jednostavno, praktički iste sekunde kada zatrebaju, čime se medicinska ustanova osigurava da nikad ne ostanu bez vitalnih potrepština. Kao što je rečeno na početku teksta, mogu se generirati individualizirani medicinski predmeti pravljeni za specifičnog pacijenta. Jak prodor aditivnih tehnologija događa se u dentalnoj medicini gdje se printeri intenzivno koriste u izradi privremenih navlaka, trajnih implantata i zubnih proteza. U vrijeme pisanja ovog članka COVID-19 još uvijek drži svijet u STOP načinu rada. Velik je problem nedostatak respiratora u bolnicama koje su preplavljene pacijentima, ali se taj problem riješava 3D printanjem dijelova za respiratore. Veliku angažiranost, tijekom pandemije,  pokazale su razne tvrtke i entuzijasti koji su dali na raspolaganje svoje kapacitete 3D pisača. Primjer toga je Project Pitlane gdje su momčadi Formule 1 udružile u izrađivanju dijelova respiratora i projekt OPEN WORKS COVID-19 gdje su se entuzijasti organizirali i počeli izrađivati zaštitne vizire za medicinske dijatonike, a projekt se proširio širom svijeta. 

Proteze se također izrađuju brže, jednostavnije i jeftinije. Usporedba s klasičnim protezama je skoro pa i beskorisna – osim navedenih prednosti, 3D proteze mogu biti bioničke (proteze dizajnirane metodama biološkog inžinjeringa koje se pokreću mišićnom i živčanom stimulacijom) te mogu biti veličinom i masom prilagođene korisniku.

Osim primjene u ovim uskim područjima, 3D printanje ima potencijal promijeniti svijet u kojem živimo u mnogo širem spektru. Može se iskoristiti kao glavno sredstvo u globalnoj borbi protiv gladi i beskućništva. Na svijetu već postoje 3D printeri hrane. Oni bi printali prilagođenu hranu, nutricionistički bogatu, sintetiziranu po slojevima  iz spremnika praha i ulja koja bi se kupovala u lokalnoj trgovini. Spremnike takve hrane bilo bi lako transportirati, rok trajanja bi bio puno dulji nego klasičnim namirnicama te bi se mogla izrađivati od materijala kao što su proteini insekata. Nedavno je 1. put uspješno isprintan vegetarijanski odrezak od povrća sa teksturom mesa. Mogućnosti ovakve uporabe tehnologije su goleme, od izrade hrane specifičnog okusa do specijalne hrane koja ne sadrži određene alergene ili sadrži lijekove radi lakšeg uzimanja.

Takvim načinom bi se omogućilo istraživanje svemira. Primjerice, duža svemirska putovanja traju više od petanest godina. Hrana koja bi bila prah, što znači da je vlaga izvađena, bi se mogla skladištiti na više od trideset godina te bi tako omogućila međuplanetarna putovanja s ljudskom posadom.

Osim hrane, postoji mogućnost jeftinije gradnje domova. U Kini se već koriste 3D printeri koji iskorištavaju 100% danog im industrijskog otpada te od tog materijala grade kuće umjesto cementa. Takve nastambe su energetski efikasne, mogu podnijeti potrese do magnitude 9 po Richterovoj skali te se grade s manje otpada i zagađenja okoliša.

Napretkom 3D printera i pripadajuće tehnologije je neizbježno zapitati se što nam tek slijedi po tom pitanju. Jedna od mogućnosti je printanje potpuno funkcionalnih organa. Iako zvuči kao znanstvena fantastika, tehnologija je već dostigla mogućnost printanja raznog organskog tkiva. Već su u uznapredovaloj fazi razna klinička istraživanja i pokusi. Tim izraelskih znanstvenika je 2019. uspješno isprintao funkcionalni primjer srca veličine maline, sa svim venama, kljetkama i ćelijama, od biološkog materijala, a australski tim je isprintao potpuno funkcionalni ušni implantat, koji je ugrađen pacijentici, koristeći matične stanice i stanice hrskavice pacijentice.

 Proizvođači su počeli koristit aditivne tehnologije u proizvodnji obuće i odjeće. Jedan takav primjer je tvrtka Feetz koja proizvodi tenisice kompletno proizvedene pomoću aditivnih tehnologija. Tvrtka koristi prednosti aditivne tehnologije kako bi kupcu pružila cijelo iskustvo dizajniranja personaliziranih tenisica. Prvo pomoću mobilne aplikacije korisnik 3D skenira svoja stopala, kako bi se napravio CAD model za izradu tenisica. Korištenjem printera koji podržavaju više materijala omogućuje izradu višebojnih tenisica. Adidas u nekim svojim modelima obuće već koristi dijelove koji su proizvedeni aditivnim tehnologijama, kao što je npr. potplat tenisice. U posljednje vrijeme pojavljuju se mnoge start-up proizvođači sa željom proizvodnje 3D printane odječe.

Iako razvoj ove vrste tehnologije zvuči kao nepogrešiv smjer u kojem čovječanstvo treba ići, postoje i problemi. Problemi su naravno, ekonomske naravi. Najveći problem će biti zaštititi intelektualno vlasništvo. Razvojem tehnologije 3D skeniranja postaje sve lakše izvršiti vrlo precizno skeniranje željenih elementa, pomoću lako dostupnih uređaja, koje se može koristi za obrnuti inženjering proizvoda. Mnoge tvrtke koje su dizajnirale određene proizvode koje proizvode bi se mogle naći u problemu, jer će njihov zaštitni znak postati dostupan svima i uz to, mnogo jeftiniji. Jedno od rješenja je prodaja CAD datoteka za print kupcima umjesto fizičkih proizvoda. Iako je to još uvijek vremenski daleko, veliki proizvođači bi već trebali početi razmišljati o načinima kako pobijediti taj problem ili se suočiti s posljedicama.

Širenjem popularnosti i dostupnošću 3D printera, osim benefita za društvo i obrazovanje, pojavio se i ozbiljan problem 3D isprintanog oružja. Na različitim web stranicama lako su dostupni CAD i STL open source datoteke kompletnog i funkcionalnog oružja koje nije problem izraditi pomoću jeftinih amaterskih 3D printera. Dokumentacija potrebna za ispis najpopularnijeg modela funkcionalnog oružja skinuta je preko 100000 puta. Proizvođači oružja već dulje vrijeme koriste aditivne tehnologije u proizvodnji, većinom za proizvodnju spremnika i oklopa oružja, no neki su već uspješno iskoristili uređaje koji mogu vršiti izradu dijelova iz legura za izradu upravljačkog mehanizma oružja. Ova tematika još zakonski nije ujednačeno regulirana, a u većini zemalja niti nije regulirana.

3D printanje već radi ogromne promjene u svijetu kakvog poznajemo, a da toga trenutno nismo ni svjesni. Neki od tehnoloških divova već proučavaju tržište poput Googlea, Microsofta, Applea, Samsunga, IBM-a i Amazona, a svjesni smo koliko su nam te kompanije promijenile života u posljednih 10 godina. Idući iskorak u korištenju aditivne tehnologije je izrada 3D printanih elektroničkih elementa kako bi se ubrzala i olakšala izrada tiskanih pločica koje se danas nalaze u velikom broju proizvoda opće potrošnje.  Napredak se događa i na polju amaterskih printera gdje se teži razvoju najpopularnijih FDM printera sa mogućnošću ispita metalnih izradaka. Razvoj novih materijala, kao što su bio materijali, razne legure i polimerni materijali, se zahuktava što će omogućiti izradu puno kompleksnijih proizvoda. Budućnost industrije ide ka hibridnoj proizvodnji koja će omogućiti kombiniranje i nadopunjavanje aditivnih i tradicionalnih tehnologija proizvodnje. Povezano uz razvoj industrijske proizvodnje događa se razvoj usko specijaliziranih programskih rješenja koja olakšavanju i poboljšavaju razvoj novih proizvoda.

Kada 3D printanje u svojoj punoj moći bude dostupno širokim masama, dolazi do sljedećeg pitanja – kako će to utjecati na inovacije i ukupan daljni razvoj civilizacije?

Više zanimljivosti

Želite da obradimo neku temu?

Predložite nam.

AUTEGRA | Softverski inženjering | HARDVERSKI INŽENJERING | KONZALTING | SOFTVER | HARDVER

Autegra d.o.o. je dobavljač inženjerskih usluga za industriju i tehnološke tvrtke.

Mi smo tim predanih inženjera koji su spremni pomoći i suočiti se s izazovima u projektiranju, izradi, programiranju, puštanju u rad i testiranju inženjerskih rješenja.