Zastosowania druku i drukarek 3D

Druk przestrzenny sprawdza się bardzo dobrze w przemyśle maszynowym i w motoryzacji. Konwencjonalne metody obróbki ubytkowej polegające na usuwaniu zbędnego materiału wiążą się ze stratami, natomiast druk 3D zużywa dokładnie tyle materiału, ile potrzeba do stworzenia modelu, przyczyniając się tym samym do zmniejszenia kosztów produkcji.

Koncerny motoryzacyjne współpracują z firmami działającymi na rynku 3D w celu ograniczenia czasu wytwarzania elementów konstrukcyjnych samochodów. Dla przykładu Volvo dzięki drukowi 3D skróciło czas oczekiwania na zestaw metalowych narzędzi do montowania modeli samochodów aż o 94% co znacząco obniżyło koszty. Fordowi druk 3D posłużył do zmniejszenia ilości czasu prototypowania Forda Mustanga aż 30-krotnie i obniżenia kosztów 166- krotnie. Inne modele z warsztatu amerykańskiego producenta kryją już pod maską drukowane części.

Gama materiałów, z których możliwy jest dziś wydruk 3D ciągle się powiększa. Volkswagen w swojej fabryce korzysta z technologii druku 3D z metalu do wytwarzania narzędzi i części samochodowych. Z metalowego proszku, spiekanego za pomocą lasera wytwarzane są prototypowe części montażowe, np. blokujące pokrywę silnika oraz elementy, których złożoność kształtu uniemożliwiała dotąd wykonanie metodami tradycyjnymi. Opel korzysta z drukowanych narzędzi na linii montażowej, twierdząc że koszt ich produkcji zmniejszył się dzięki temu o 90% a waga o 70%, jednocześnie nie wpływając na właściwości wytrzymałościowe.

Najszybszy samochód na świecie, czyli szwedzki One:1 korzysta z wydrukowanych z tytanu rur wydechowych. Dzięki temu zabiegowi twórcy uzyskali zmniejszenie ciężaru pojazdu o 400 gramów, co w stosunku do całkowitej wagi 1360 kilogramów wydaje się być niewielką liczbą, jednak przyczynia się do utrzymania stosunku mocy do wagi 1: 1 (1360 koni mechanicznych: 1360 kilogramów), od którego samochód zaczerpnął swoją nazwę.

Takie przykłady zastosowania druku 3D można mnożyć bez końca, jednak wszystkie dotyczą wykorzystania drukarek 3D do tworzenia pojedynczych części i zespołów. Są jednak również przypadki, które udowadniają, że możliwe jest wytworzenie technologią szybkiego prototypowania całych samochodów. Pierwszy egzemplarz powstał w Kanadzie i nazywa się Urbee. Jest przyjazny dla środowiska, a jego budowa zajęła 15 lat. Jest w stanie przejechać do 85 kilometrów na litrze benzyny i choć jest napędzany jedynie ośmiokonnym, jednocylindrowym silnikiem, może rozwinąć prędkość 110 km/h.

Potężne możliwości stosowania druku 3D w przemyśle motoryzacyjnym wynikają z perspektywy tworzenia części lekkich a zarazem bardzo wytrzymałych, z różnorodnych materiałów i potencjalnie przyjaznych dla środowiska. Dodatkowo wiąże się to z eliminacją odpadów oraz elastyczności produkcji wynikającej z braku konieczności stosowania narzędzi i sposobności łatwego wytwarzania różnokształtnych części.

Jednym z najlepszych sposobów przekazu myśli projektanta jest makieta architektoniczna, szczególnie, gdy wyobraźnia odbiorcy ogranicza wizualizację projektu z dokumentacji technicznej. Dotąd makieta była luksusowym dodatkiem do projektu, dziś, w dobie drukarek 3D staje stał się niemalże nieodłącznym jego elementem. Do najpopularniejszych zastosowań drukowania w technologii 3D zaliczają się modele domów i mieszkań, rzutów kondygnacji budynków, całych wieloelementowych inwestycji. Przestrzenne wytwarzanie skraca czas realizacji modeli, a tym samym obniża koszty ich wykonania, gwarantuje wysoką jakość, trwałość i dokładność modeli oraz stwarza możliwość wykorzystania dowolnego koloru. Do stworzenia makiety można wykorzystać istniejącą dokumentację techniczną, a plik cyfrowy z jej zapisem można przesłać drogą elektroniczną do dowolnego miejsca i tym samym uzyskać fizyczną kopię w każdym zakątku świata. Modele można dowolnie skalować i wydrukować wielokrotnie, dla każdego z uczestników konsultacji czy zespołu projektowego. Z perspektywy klienta szczególnie atrakcyjna jest możliwość dotknięcia i obejrzenia modelu z każdej stronny. Drukarki 3D w rękach klientów są więc narzędziem otwierającym szereg nowych możliwości.

Zastosowanie druku 3D w architekturze dotyczy głównie drukowania 3D makiet. Jednak prawdziwy przełom stanowił wydruk na gigantycznej drukarce 3D całych budynków, tak jak w przypadku 10 domów tworzących osiedle w Szanhgaju w Chinach. Koszt wytworzenia bryły pojedynczego domku to 4800 dolarów, a firma WinSUn, która podjęła się przedsięwzięcia, zamierza drukować niedrogie domy dla niezamożnych, z materiałów pochodzących z recyklingu. Sama firma jest właścicielem aż 77 patentów na materiały konstrukcyjne.

Potentat budowlany, szwedzka firma Skanska wykorzystuje druk 3D w swoich wielomilionowych inwestycjach, np. przy budowie szesnastopiętrowego wieżowca w Londynie. Wytworzone techniką szybkiego prototypowania elementy maskujące łączenia stalowych słupów podporowych dachu, okazały się być rozwiązaniem dla skomplikowanego pod względem wykonania i estetyki problemu. Wykonanie podobnych okładzin jako odlewów stalowych wiązałoby się z dużymi trudnościami i kosztami, natomiast drukowane elementy nie tylko są znacznie tańsze, ale także spełniają wymogi eksploatacyjne i estetyczne. Skoro możliwe jest drukowanie 3D całych domów, nie dziwi tworzenie w podobny sposób mebli. Istnieją firmy oferujące swoje usługi w zakresie produkcji i sprzedaży mebli, często na podstawie własnego projektu klienta. Tutaj ogranicza nas jedynie wyobraźnia. Fantazyjne kształty i wymyślne konstrukcje nie stanowią problemu dla drukarek 3D.

Ci, którzy nie są przekonani do nowoczesnego designu i gustują w bardziej tradycyjnych wystrojach wnętrz, mogą korzystać ze specjalnych, drukowanych w 3D złącz umożliwiających mocowanie i łączenie mebli w różnoraki sposób.

Druk 3D tak jak wiele innowacyjnych technologii znajduje zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym. Brak dostępu w miejscach prowadzenia działań militarnych do specjalistycznych narzędzi i części przestaje dzięki niemu być problemem. Istnieją przypadki stworzenia dzięki drukarkom 3D działającej broni, taka możliwość może okazać się bardzo przydatna dla wojska. Wydruk głowic pocisków o specjalnie zamodelowanej geometrii może stanowić o lepszej celności, większej sile rażenia, bądź bezpieczeństwie żołnierzy.

Drukarki 3D były już wykorzystywane przez armię stacjonującą w Afganistanie. Do tej pory wprowadzenie usprawnień, sprowadzenie potrzebnych części wymagało wiele czasu, gdyż konieczne było zajęcie się tym zadaniem przez inżynierów w Stanach Zjednoczonych. Teraz żołnierze mogą wziąć sprawy w swoje ręce dzięki kontenerowi wyposażonemu m.in. w drukarkę 3D obsługiwaną przez dwóch inżynierów, którzy są w stanie na bieżąco projektować i wytwarzać potrzebne wyposażenie dla żołnierzy oraz części zamienne urządzeń i maszyn.

Amerykańska Armia inwestuje duże środki w prace nad drukowanymi uniformami, syntetyczną skórą leczącą zranienia, a nawet w drukowaną 3D żywnością. Naukowcy z Massachusetts Istitute of Technology wynaleźli druk 4D - stworzyli materiały zmieniające się pod wpływem kontaktu z substancjami takimi jak woda. To może oznaczać, że pewnego dnia rzeczy takie jak drukowane mundury będą w stanie zmienić swój kolor w zależności od środowiska, w jakim się znajdują.

Druk 3D jest rewolucyjny z punktu widzenia wojska nie tylko z powodu różnorodności zastosowań, ale także ze względu na okoliczności jego wykorzystania. Możliwość zabrania ze sobą „małej fabryki” do obszarów objętych działaniami wojennymi jest obiecującą perspektywą dla przemysłu wojskowego.

Po raz pierwszy druk 3D dla potrzeb medycyny został zastosowany w 1999 roku do stworzenia skafoldu, który pokryty komórkami własnymi pacjenta, służył w leczeniu przerostu pęcherza moczowego. W 2002 naukowcy opracowali miniaturowa nerkę, zdolną do filtracji krwi oraz produkcji rozcieńczonego moczu u zwierząt. Medycyna ewoluuje wraz z postępem technologii druku 3D, lekarze są w stanie tworzyć indywidualnie dopasowane implanty, a w laboratoriach powstają już tkanki i ludzkie narządy. Opracowano nowe biozgodne materiały, które pomagają organizmowi odbudować tkankę na rusztowaniu wydrukowanym na drukarkach 3D, co niesie ogrom możliwości dla regeneracji tkanek i wypełniania ich ubytków.

Dziś ubytki kości mogą zostać wypełnione indywidualnie zaprojektowanym wszczepami, a drukowane protezy zastępują tradycyjne. Możliwe staje się zastosowanie technologii druku przestrzennego w wytwarzaniu wszelkiego rodzaju protez, implantów i gorsetów, zarówno tych prostych jak też bardzo zaawansowanych. Nastolatkowi z Colorado udało się stworzyć protezę ręki odczytującą fale mózgowe i odpowiadającą na nie ruchem. Koszt takiej protezy jest niski, a jej znaczenie dla użytkownika nieocenione. Niezwykłe dokonania chłopca doceniło NASA zapraszając go na staż. Powszechnie są zabiegi rekonstrukcji kości twarzy na podstawię skanów z tomografii komputerowej, przy użyciu drukarek 3D, kiedy tradycyjne metody okazały się nieskuteczne z powodu radio- i chemioterapii, której poddani byli pacjenci. Medycyna korzysta z zalet wytwarzania cyfrowego także do tworzenia modeli narządów, dzięki którym możliwe staje się dokładne zaplanowanie operacji, co usprawnia jej przebieg i zmniejsza ryzyko błędów. Jednak największe możliwości zastosowania druku 3D w medycynie wiążą się ze sztucznymi narządami. Przez lata naukowcy marzyli o zaprojektowanych nerkach, wątrobach i innych organach i tkankach wyhodowanych w laboratoriach, dzięki którym pacjenci potrzebujący transplantacji, nie będą musieli czekać na dawcę. Otrzymanie tkanek w laboratoriach jest bardzo trudne. Drukarki 3D, które jako budulca używają ludzkich komórek, przyniosły nadzieję na powodzenie przedsięwzięcia. Wytwarzanie addytywne oprócz tego, że budzi entuzjazm jako ułatwienie życia codziennego i świetna rozrywka, może także ratować ludzkie życie.

Podatnym gruntem dla druku 3D jest stomatologia i ortodoncja. Za pomocą drukarki 3D można tworzyć implanty zębów oraz wypełnienia na podstawie skanów 3D lub zdjęć uzębienia pacjenta. Co więcej ich wykonanie nie zajmuje, jak tradycyjnych implantów całych tygodni, ale zaledwie godziny.

Świat mody także nie stroni od nowych technologii. Na wybiegach pojawiają się wydrukowane w 3D projekty, które zachwycają pięknem i fantazją wykonania. Ciągle jednak istnieją tylko w świecie projektantów i pokazów mody, nie wychodząc jeszcze na ulice miast. Inaczej sytuacja przestawia się w branży obuwniczej. Tutaj druk 3D sprawdza się świetnie w tworzeniu idealnie wyprofilowanych wkładek do butów na podstawie skanów stóp klientów. Możliwa jest kreacja obuwia, a następnie jego wydruk dzięki dostępnym urządzeniom, takim jak skanery i drukarki 3D oraz skojarzonym z nimi programom.

Aby otrzymać idealną dla siebie wkładkę potrzebne jest już tylko zdjęcie wykonane telefonem i aplikacja, która pozwoli na złożenie zamówienia. Dzięki drukowi 3D można mieszać ze sobą różne materiały, co otwiera szansę na tworzenie elastycznych, antybakteryjnych materiałów, idealnie sprawdzających się jako wkładki obuwnicze.

Każdy z nas wielokrotnie w swoim życiu odczuwał dyskomfort wynikający z noszenia źle dopasowanych, uwierających butów. Producenci dotychczas oferowali nam modele w standardowych rozmiarach, podczas gdy każda stopa posiada właściwe sobie cechy. W dzisiejszych czasach do ofert firm obuwniczych dołączają buty stworzone na podstawie fotografii stóp oraz informacji takich jak wzrost, waga i aktywność indywidualnego klienta. Produkcja obuwia tą technologią nie oznacza jedynie podążania za trendami, ale ma także istotny aspekt terapeutyczny. Na podstawie skanów 3D stóp można określić ich wadę, a następnie wytworzyć ortopedyczne obuwie, które łagodzą dolegliwości wynikające z wady i zwiększają komfort noszenia. Nike wprowadziła na rynek obuwie dla piłkarzy, które cechuje się niską wagą oraz wytrzymałością i dopasowuje się do stopy gracza niczym druga skóra pomagając mu w pełni wykorzystywać swoje możliwości. Dla atletów drukowane w 3D obuwie stanowią zdecydowaną rewolucję. Wciąż większość par butów produkowanych jest metodami tradycyjnymi, ale możemy być pewni, że w przyszłości drukowane obuwie, podobnie jak inne wytwarzane tym sposobem przedmioty, na stałe wejdą do naszego codziennego życia. W 2011 roku po raz pierwszy jako materiału do druku 3D użyto srebra i złota. To wydarzenie otworzyło nowe okno możliwości dla zastosowania cyfrowego wytwarzania w projektowaniu biżuterii.