Liam Dippenaar, pięciolatek z RPA, urodził się bez palców prawej ręki. Protezę dla chłopca opracowali Richard Van As, stolarz z RPA, i Ivan Owen, specjalista od efektów specjalnych z USA. W kilka dni stworzyli sztuczną rękę z pięcioma palcami poruszającymi się w górę lub w dół w zależności do ruchów nadgarstka. Do połowy 2013 r. pomogli już ponad stu dzieciom. Wówczas świat usłyszał o Richardzie Van Asie. Zainteresowanie budziła nie tylko pomoc, jakiej on i Ivan Owen nieodpłatnie udzielali, ale także — a może przede wszystkim — to, że zaprojektowaną przez nich protezę można wydrukować na drukarce 3D i kosztuje to raptem 150 dolarów.
Richard Van As stracił dwa i uszkodził kolejne dwa palce prawej ręki w trakcie pracy przy pile stołowej. Chciał jak najszybciej odzyskać chociaż częściową sprawność dłoni, ale szybko się zorientował, że nie stać go na protezę, która kosztowałaby około 10 tys. dolarów za każdy palec. Z materiałów w swoim warsztacie stworzył prowizorkę sztucznego palca wskazującego, ale sam nie był w stanie zaprojektować protezy. Na Ivana Owena trafił w internecie. Znalazł jego film pokazujący projekt dużej metalowej ręki, którą operował za pomocą cienkich linek przywiązanych do palców. Tak rozpoczęła się ich wspólna praca nad stworzeniem sztucznych palców dla Van Asa. Pracowali na odległość. Ukończyli projekt w trakcie wizyty Owena w RPA, kiedy Amerykanin zaczął się zastanawiać, czy części do protezy nie można by drukować w drukarce 3D. Zwrócił się z pytaniem do spółki MakerBot produkującej taki sprzęt. Firma zainteresowała się projektem i udostępniła urządzenia. W rozmowie z amerykańskim portalem NPR wynalazcy podkreślali, że pozwoliło im to skrócić projektowanie z kilku tygodni do 20 minut, a pomysły drukować i testować praktycznie od razu. Plany i instrukcja protezy ostatecznie wylądowały na stronie Thingverse.com, skąd każdy może bezpłatnie pobrać projekt i zrealizować go, używając drukarki 3D, ponosząc jedynie koszty materiałów.
Trudny proces
O technologii druku 3D i możliwościach jej zastosowania mówi się coraz częściej. Powstają start-upy wykorzystujące takie urządzenia. W tyle nie pozostają też duże międzynarodowe firmy. Niektóre na co dzień korzystają z drukarek 3D do wytwarzania części produktów. Przykładowo: koncern Volkswagen w ten sposób tworzy elementy do prototypów aut. Nad własnymi rozwiązaniami w tej technologii pracują też inżynierowie z Przemysłowego Instytutu Automatyki i Pomiarów (PIAP) w Warszawie. Okazuje się jednak, że projektowanie w druku 3D jest znacznie bardziej skomplikowane, niż się wydaje.
— Druk 3D to nie tylko stworzenie odpowiedniego kształtu i wrzucenie go do drukarki. Oczywiście to też wymaga umiejętności, ale znacznie trudniejsze jest zaprojektowanie procesu drukowania 3D — to około 80 proc. sukcesu.
Dotyczy to doboru materiału do druku, ale również obliczenia odpowiednich parametrów przedmiotu, by miał nie tylko zakładany kształt, ale i właściwości. U nas takimi wyliczeniami zajmuje się niekiedy cały zespół. Drukowaliśmy na przykład nogi do zaprojektowanego przez nas czterowirnikowego miniśmigłowca, jednak testy wykazały, że są one za słabe i łamią się przy lądowaniu. Musieliśmy zmienić parametry części i odpowiednio ustawić proces wydruku, aby uzyskać bardziej wytrzymały element — opowiada Maciej Cader, specjalista od druku 3D w PIAP.
Innym przykładem jest struktura wewnętrzna konkretnego modelu. Nie wszystkie muszą być całkowicie wypełnione materiałem, by zachować odpowiednie właściwości. Czasem wystarczy, by wnętrze modelu było zbudowane z konstrukcji w kształcie np. plastra miodu, co daje dodatkowe oszczędności.
Zdaniem Macieja Cadera, konieczność tworzenia odpowiedniej geometrii przedmiotu i projektowania procesu druku jest jedną z barier, która ogranicza powszechność drukarek 3D.
— Oczywiście można pobrać odpowiednio przygotowane projekty z internetu i wydrukować je na drukarce w domu, ale schody zaczynają się, kiedy chcielibyśmy wydrukować coś od podstaw. Jeśli na rynku nie pojawi się oprogramowanie na tyle intuicyjne, by pozwolić przeciętnemu Kowalskiemu stworzyć coś od zera, to na razie ta technologia pozostanie domeną specjalistów i inżynierów — uważa Maciej Cader.
Centrum druku
Obecnie PIAP korzysta z trzech drukarek 3D zagranicznych producentów. Maciej Cader twierdzi, że nie ma sensu tworzyć czegoś, co już jest na rynku. Dlatego w instytucie pracują nad rozwiązaniem, którego nie ma, czyli urządzeniem wykorzystującym do druku 3D materiały przetworzone.
— To istotny problem, bo po drukowaniu 3D pozostaje wiele odpadków lub fragmentów druku, których nie można ponownie wykorzystać. Takie rozwiązanie pozwoliłoby nie tylko na oszczędność materiałów, ale zmniejszyłoby też liczbę odpadów — mówi Maciej Cader.
Na razie nie chce zdradzać szczegółów. Podkreśla, że PIAP skupia się na wykorzystaniu wiedzy z zakresu projektowania i tworzenia wydruków 3D pod konkretne potrzeby, głównie biznesu. Stąd pomysł uruchomienia Centrum PIAP Design. Instytut chce oferować klientom kompleksowe usługi z zakresu druku 3D, zaczynając od przygotowania modelu wraz z ewentualną dokumentacją techniczną, przez wybór odpowiednich materiałów i metod wytwarzania, ewentualnej obróbki, badań wytrzymałościowych, a na wytworzeniu produktu kończąc. Utworzenie centrum jest po części odpowiedzią na zapotrzebowanie na takie usługi.
— Często zgłaszają się do nas firmy, które chciałyby wykorzystać tę technologię w produkcji. Druk 3D to jednak dość nowe rozwiązanie, zwłaszcza na polskim rynku. Liczbę takich miejsc można by policzyć na palcach jednej ręki. A biorąc pod uwagę, że niektóre specjalizują się w rozwiązaniach dla konkretnych branż, np. medycyny, krąg dodatkowo się zawęża. PIAP na razie skupia się na drukowaniu projektów dla przemysłu, np. elementów urządzeń, ale mogą to być także mniej zaawansowane druki, takie jak materiały reklamowe — wylicza Maciej Cader.
Lżej i taniej
Urządzenia, które posiada PIAP, pozwalają drukować w tworzywach sztucznych (tzw. ABS, czyli polimerach), metalu i żywicach fotoutwardzalnych. W laboratorium, gdzie umieszczono drukarki, znajduje się kilkanaście różnych wydruków 3D. Z samego kształtu trudno wywnioskować ich zastosowanie. PIAP na drukarkach 3D tworzy np. części do swoich robotów. Można drukować nawet kilka przedmiotów jednocześnie. Najbardziej skomplikowanym projektem była obudowa dla jednego z robotów.
— Chociaż z wierzchu nie wygląda na skomplikowaną, w środku należało umieścić wiele uchwytów na urządzenia wewnątrz robota, a wszystko musiało być odpowiednio wymierzone i dopasowane — tłumaczy Maciej Cader.
Ciekawostką jest, że drukować w 3D można też modele z elementami ruchomymi. W trakcie druku są spajane niewielkimi łączeniami, które później się usuwa substancjami chemicznymi lub wodą. Druk 3D ma też pewną przewagę nad innymi metodami wytwórczymi.
— Dzięki wykorzystaniu wydrukowanych w 3D części do robotów udało nam się zmniejszyć ich masę niemalże o połowę. Z punktu widzenia biznesowego ta technologia pozwala także na ograniczenie kosztów wytwarzania poszczególnych elementów, zwłaszcza produkowanych w mniejszych ilościach — mówi Maciej Cader.
Inżynierowie z PIAP mają w planach stworzenie rozwiązania dla branży medycznej. Chodzi o drukowanie 3D, bazując na odczytach np. z tomografów komputerowych.
— Mamy sygnały, że taka technologia jest potrzebna. W ten sposób można drukować np. cały układ kostny człowieka, tworzyć fragmenty kości, by uzupełniać ich ubytki, drukować elementy stawów — twierdzi Maciej Cader.
Jego zdaniem jeszcze za wcześnie, by mówić o drukowaniu żywych komórek. Chociaż o takich rozwiązaniach głośno było już kilka lat temu i są firmy, które pracują nad taką technologią, istotnym ograniczeniem jest żywotność wydrukowanych komórek.
Zrób to sam
Drukowanie 3D to technologia, która umożliwia
szybkie tworzenie trójwymiarowych elementów na podstawie modelu
komputerowego. Jedną z najczęściej wykorzystywanych metod takiego druku
jest FDM, czyli warstwowe nanoszenie stopionego materiału, najczęściej
tworzyw sztucznych. Tak stworzone modele wymagają z reguły dodatkowej
obróbki, np. wygładzenia lub przecięcia łączników części przedmiotu.
Drukarki 3D tworzą najrozmaitsze obiekty — zabawki, biżuterię, narzędzia
kuchenne, a nawet protezy.