Aditivne tehnologije, poznate kao 3D printanje, prisutne su od kasnog 20. stoljeća. Naime, korijeni 3D printanja postavljeni su od strane gospodina Charlesa Hulla 1984. godine izumom stroja za ispisivanje objekata iz CAD datoteka. Stroj se sastojao od četiri glavna elementa: spremnika punog tekućeg plastike (fotopolimera), platforme koja se spuštala u spremnik, UV lasera i računala koje je kontroliralo laser i platformu. Proces se odvijao u nekoliko koraka. Prvi korak bio je otkrivanje tankog sloja fotopolimera iznad platforme, gdje bi se odmah kristalizirao dodirujući se s UV laserom. Nakon što je prvi sloj bio gotov, platforma bi se spustila niže i tako otkrila novi sloj tekuće plastike, na koji bi laser rekristalizirao na objekt koji se treba ispisati i dva dijela bi se odmah spojila.
U tim počecima, 3D printanje najjednostavnijih objekata trajalo je dugo. Male prostorije koje bi se upravljale malim strojevima obično bi bile završene između šest i dvanaest sati, ovisno o veličini prostorije i stroja. Veće prostorije, veličine nekoliko metara, proizvodile bi se danima.
Iako se 3D printanje dugo koristi, tek je nedavno postalo široko dostupno. Različiti su faktori doprinijeli tome – mogućnost korištenja različitih vrsta materijala, jeftinija cijena ispisivanja i eksponencijalni rast tehnoloških napredaka.
U svojim počecima, 3D printanje se koristilo za stvaranje plastičnih figurica ili prototipova raznih proizvoda ili ideja. Tehnološki napredak danas omogućuje stvaranje proteza veličine života, modela ili elektroničkih proizvoda. S obzirom na sve to, najveći potencijal 3D printanja leži upravo u industriji, posebno u medicinskom području.
Naziv aditivna tehnologija ili aditivna proizvodnja definiran je 2009. kao pojam pod kojim djeluju ASTM International Committee. Danas se koristi nekoliko vrsta aditivnih tehnologija. Kao što je već spomenuto, stereolitografija je prvi proces aditivne proizvodnje objekata sloj po sloj. Taljenje odlaganjem (FDM) je općenito poznato kao 3D printanje. Objekt se stvara tako da polimerni materijal prolazi kroz mlaznicu gdje se zagrijava i sloj po sloj polaže na radnu površinu prema stvorenom obrascu.
Ova tehnologija koristi se u preko 40% uređaja koji se trenutno koriste. Izrada objekata laminacijom čini proizvod tako da laser, sloj po sloj, reže laminirani materijal smješten na prethodno izrezan sloj. Selektivno lasersko taljenje, SLM, koristi se za izradu elemenata visoke gustoće. Praškasti materijal, uz pomoć lasera, doveden je do točke taljenja i “ljepljen” je na prethodni sloj. Taljenje elektronskim snopom (EMB) je metoda izgradnje objekta sloj po sloj taljenjem sloja metalnog praha elektronskim snopom.
Aditivne tehnologije mogu se podijeliti na brzu prototipizaciju i brzu alatnu izradu, te brzu proizvodnju koja povezuje proizvodnju prototipa i alata u proizvodnji konačnih proizvoda u manjim serijama. Brza prototipizacija je naziv za skup tehnologija koje omogućuju inženjerima stvaranje fizičkog modela proizvoda u razvoju izravno iz CAD projekta, računalno potpomognutog dizajna, modela bez potrebe za dodatnim radnim operacijama. Razvijeni model je potpuno funkcionalan bez obzira na složenost dizajniranog modela.
Ovaj tip prototipizacije omogućuje brži ciklus razvoja, mogućnost prezentiranja nedovršenog proizvoda potencijalnim kupcima i implementaciju njihovih opažanja i komentara. Brza alatna izrada koristi se tijekom dizajna proizvodnje. U masovnoj proizvodnji proizvoda potrebno je dizajnirati alate, poput kalupa za prešanje, lijevanje, brizganje i slične proizvodne procese. Alati se izrađuju aditivnim tehnologijama kako bi se optimizirala proizvodnja i identificirale i otklonile nedostaci. Osim brzine izrade takvih alata, oni su i značajno jeftiniji, što smanjuje troškove prije proizvodnje.
Prema procjenama, vrijednost aditivne proizvodnje u 2019. godini iznosila je preko 9 milijardi dolara, što je neznatan dio u odnosu na cijelu industriju, ali postoji vidljiva promjena trenda u sve više promjenjivom poslovnom okruženju i razvoju novih proizvoda. Već su nekoliko startup tvrtki koje se bave proizvodnjom strojeva za aditivne tehnologije i aditivnom proizvodnjom dosegle tržišnu vrijednost od preko milijardu dolara, a sve više proizvođača opreme za tradicionalnu obradu proširuje asortiman aditivnih strojeva. Razvijena je i nova grana industrije koja se bavi proizvodnjom materijala, prahova, tekućina, folija koje se koriste u procesu aditivne proizvodnje.
Suvremeni uređaji imaju mogućnost stvaranja vrlo velikih objekata. Jedan od najvećih komercijalnih uređaja koji ima sposobnost rada s više materijala, kombinacijom plastike, metala i keramike, istovremeno ima radnu površinu od 2000 x 800 x 600 centimetara i maksimalnu težinu objekta od 250 kilograma. Najveći proizvod koji je izrađen je brod izrađen na Fakultetu za morski inženjering u Sjedinjenim Američkim Državama. Ispisani brod dug je 7,6 metara i teži 2.200 kilograma, a ispisivanje je trajalo 72 sata. Uređaj koji se koristio za ispisivanje broda koristi se samo za istraživanje, i ima mogućnost ispisivanja radnih komada do 30 metara duljine, 6,5 metara širine i 3 metra visine s maksimalnom količinom ispisivanja od 200 kilograma materijala na sat.
U općoj industriji, 3D printanje ima sve veće mogućnosti jer danas 3D pisači rade s materijalima poput titana, čelika, aluminija, željeza i bakra, te kao takvi predstavljaju veliki napredak u automobilskoj i zrakoplovnoj industriji. Industrije se mogu više usredotočiti na funkcije svojih proizvoda jer razmišljanje o tome kako će proizvod odgovarati izvan fokusa može izaći iz fokusa. Kao rezultat toga, proizvodnja se ubrzava, smanjuju se proizvodni troškovi i generira manje otpadnog materijala (40 do 70 posto) u usporedbi s tradicionalnom metodom proizvodnje. Na primjer, proizvodnja jedne robotske ruke klasičnom metodom proizvodnje košta 10.000 američkih dolara i traje prosječno 4 tjedna. 3D printanje proizvodi 600 dolara u 24 sata. Airbus je najavio da se u proizvodnji A350 koristi preko 1.000 3D ispisanih dijelova,
U području medicine, 3D printanje je važno iz nekoliko ključnih razloga. Prvi razlog je mogućnost posjedovanja medicinskih uređaja po narudžbi koji nisu precijenjeni. 3D pisači mogu brzo i jednostavno ispisivati stentove, zavoje pa čak i kirurške elemente, praktički u istom trenutku kad su potrebni, osiguravajući da medicinska ustanova nikada ne ostane bez bitnih potrepština. Kao što je navedeno na početku teksta, moguće je stvoriti individualizirane medicinske predmete namijenjene određenom pacijentu. Jaka penetracija aditivnih tehnologija događa se u stomatologiji gdje su pisači intenzivno korišteni u izradi privremenih ljuskica, trajnih implantata i proteza.
U trenutku pisanja, COVID-19 još uvijek drži svijet u stanju STANKE. Veliki problem je nedostatak respiratora u bolnicama koje su preplavljene pacijentima, ali taj problem rješavaju 3D ispisivanjem dijelova za respiratore. Veliki angažman, tijekom pandemije, pokazali su različite tvrtke i entuzijasti koji su stavili na raspolaganje svoje kapacitete 3D printera. Primjer za to je Projekt Pitlane gdje su se timovi Formule 1 udružili kako bi izrađivali dijelove respiratora i projekt OPEN WORKS COVID-19 gdje su entuzijasti organizirali i započeli izradu zaštitnih vizira za medicinske dijatoničare, a projekt se proširio diljem svijeta.
Protetski radovi također se izrađuju brže, jednostavnije i jeftinije. Usporedba s klasičnim protezama gotovo je beskorisna – osim navedenih prednosti, 3D proteze mogu biti bioničke (proteze dizajnirane biološkim inženjerskim metodama koje pokreću mišići i stimulacija živaca) i mogu se prilagoditi u veličini i težini.
Osim primjena u ovim uskim područjima, 3D printanje ima potencijal promijeniti svijet u kojem živimo u mnogo širem spektru. Može se koristiti kao glavno oruđe u globalnoj borbi protiv gladi i beskućništva. Već postoje 3D pisači hrane u svijetu. Oni bi ispisivali prilagođene namirnice, bogate hranjivim tvarima, sintetizirane u slojevima iz posuda s prahom i uljem koje bi se kupovale u lokalnoj trgovini. Takve posude hrane bile bi lako prijenosive, rok trajanja bio bi puno dulji od konvencionalnih namirnica, a mogu se izrađivati od materijala poput proteinskih kukaca. Nedavno je prvi put uspješno ispisan vegetarijanski povrtni odrezak s teksturom mesa. Mogućnosti ovakve upotrebe tehnologije su ogromne, od pravljenja hrane s određenim okusom do posebne hrane koja ne sadrži određene alergene ili sadrži lijekove za lakše uzimanje.
To bi omogućilo istraživanje svemira. Na primjer, dugotrajna putovanja u svemir traju više od petnaest godina. Hrana koja bi bila u obliku praha, što znači da je iz nje izvučena vlaga, mogla bi se čuvati više od trideset godina, omogućujući međuplanetarno putovanje s ljudskom posadom.
Osim hrane, postoji mogućnost jeftinije izgradnje domova. U Kini već se koriste 3D pisači koji koriste 100% industrijskog otpada koji im se daje i grade kuće od tog materijala umjesto od cementa. Takva prebivališta energetski su učinkovita, mogu izdržati potrese do magnitude 9 na Richterovoj ljestvici i grade se s manje otpada i onečišćenja okoliša.
Sa napretkom 3D pisača i pripadajuće tehnologije, neizbježno je zapitati se što nas još očekuje u tom pogledu. Jedna mogućnost je ispisivanje potpuno funkcionalnih organa. Iako zvuči poput znanstvene fantastike, tehnologija je već dostigla sposobnost ispisivanja raznih vrsta organskog tkiva. Razna klinička ispitivanja već su u naprednoj fazi. 2019. godine, tim izraelskih znanstvenika uspješno je ispisao funkcionalni primjerak srca veličine maline, sa svim venama, stanicama i ćelijama, napravljenim od biološkog materijala, a australski tim ispisao je potpuno funkcionalni ušni implantat, koji je implantiran pacijentu korištenjem matičnih stanica i stanica hrskavice.
Proizvođači su počeli koristiti aditivne tehnologije u proizvodnji obuće i odjeće. Jedan takav primjer je tvrtka Feetz, koja proizvodi tenisice potpuno proizvedene korištenjem aditivnih tehnologija. Tvrtka koristi aditivnu tehnologiju kako bi kupcu pružila cjelokupno iskustvo dizajniranja personaliziranih tenisica. Prvo, koristeći mobilnu aplikaciju, korisnik 3D skenira svoje noge, kako bi se stvorio CAD model za izradu tenisica. Korištenjem pisača koji podržavaju više materijala omogućuje se izrada višebojnih tenisica. U nekim modelima obuće, Adidas već koristi dijelove proizvedene aditivnim tehnologijama, poput đona tenisica. Nedavno se pojavilo mnogo startup proizvođača s željom za proizvodnjom odjeće izrađene 3D printanjem.
Iako se razvoj ovakve vrste tehnologije čini kao neizbježan smjer kojim ljudsko društvo treba ići, postoje i problemi. Problemi su, naravno, ekonomske prirode. Najveći problem bit će zaštita intelektualnog vlasništva. S razvojem tehnologije 3D skeniranja, postaje sve lakše izvršiti vrlo precizno skeniranje željenih elemenata, korištenjem lako dostupnih uređaja, što se može koristiti za obrnuto inženjerstvo proizvoda. Mnoge tvrtke koje su dizajnirale određene proizvode koje proizvode mogu se naći u problemima jer će njihov zaštitni znak postati dostupan svima i dodatno, puno jeftiniji. Jedno rješenje je prodaja CAD datoteka za ispisivanje kupcima umjesto fizičkih proizvoda. Iako je to još uvijek daleko, veliki proizvođači već bi trebali početi razmišljati o načinima kako prevladati ovaj problem ili suočiti se s posljedicama.
Sa širenjem popularnosti i dostupnosti 3D pisača, osim koristi za društvo i obrazovanje, pojavio se ozbiljan problem 3D printanih oružja. CAD i STL otvoreni izvori datoteka potpuno funkcionalnih oružja lako su dostupni na različitim web stranicama, što nije problem stvoriti korištenjem jeftinih amaterskih 3D pisača. Dokumentacija potrebna za ispisivanje najpopularnijeg modela funkcionalnog oružja preuzeta je preko 100.000 puta. Proizvođači oružja već dugo koriste aditivne tehnologije u proizvodnji, većinom za proizvodnju spremnika i oklopa, ali neki su već uspješno koristili uređaje koji mogu izrađivati dijelove od legura kako bi napravili mehanizam za kontrolu oružja. Ova tema još uvijek nije jednako regulirana zakonom, a u većini zemalja čak nije ni regulirana.
3D printanje već donosi ogromnu razliku u svijetu kakvog poznajemo, a trenutno toga nismo ni svjesni. Neki od tehnoloških divova već proučavaju tržište poput Googlea, Microsofta, Applea, Samsunga, IBM-a i Amazona, i svjesni smo koliko su ove tvrtke promijenile naše živote u posljednjih 10 godina. Sljedeći korak u korištenju aditivne tehnologije je proizvodnja 3D ispisanih elektroničkih elemenata kako bi se ubrzala i olakšala proizvodnja tiskanih sklopova koji se sada nalaze u velikom broju potrošačkih proizvoda. Napreduje se i u području amaterskih pisača, gdje se nastoji razviti najpopularniji FDM pisači s mogućnošću testiranja metalnih proizvoda.
Razvoj novih materijala, poput biomaterijala, raznih legura i polimernih materijala, uzbuđuje se, što će omogućiti proizvodnju mnogo složenijih proizvoda. Budućnost industrije kreće se prema hibridnoj proizvodnji koja će omogućiti kombiniranje i nadopunjavanje aditivnih i tradicionalnih tehnologija proizvodnje. U vezi s razvojem industrijske proizvodnje, razvijaju se usko specijalizirana softverska rješenja koja olakšavaju i poboljšavaju razvoj novih proizvoda.
Kada 3D printanje u svojoj punoj snazi postane dostupno masama, postavlja se sljedeće pitanje – kako će to utjecati na inovacije i cjelokupni daljnji razvoj civilizacije?