3D nyomtatás: mi van a motorháztető alatt?

Kevesen vannak, akinek ne mozgatná meg fantáziáját a lehetőség, hogy a boltban vásárolt földi javakhoz otthonuk kényelmében jussanak hozzá lehetőleg úgy, hogy még az ajtóig se kelljen elmenni, hogy kinyissák a futár előtt. Még kevesebben vannak azok, akik ne adnák oda fél karjukat azért, hogy megspórolhassák a várakozást, amíg egyes termékeik prototípusaihoz külső partnereik legyártják az alkatrészeket. Az ilyen problémákra kínál megoldást a 3D nyomtatás, amelyből a lakásuk kényelméhez ragaszkodók a nem is olyan távoli jövőben, az orvostudomány, gépgyártás és építészet pedig már ma is profitálhat.

A 3D nyomtatók típusai

Az eljárás pontosan az, aminek hangzik: nyomtatás három dimenzióban, egy készülék digitális modellekből hoz létre tárgyakat. A technológia hosszú utat járt be, ami sokfelé ágazik; több módszer is létezik a térbeli nyomtatásra. Az első 3D nyomtatók az úgynevezett sztereolitografikus nyomtatók (SLA - stereolithorgaphy apparatus) voltak, amelyek működése - nem meglepő módon - egy sztereolitográfia nevű eljáráson alapult, amelyet Charles Hull fejlesztett ki 1983-ban. A technológia a sugárzással inicializált polimerizációt alkalmazza, ami bár elsőre ijesztően hangzik, annyira mégsem bonyolult: a készülék UV-fény segítségével megszilárdítja az alá helyezett folyékony fotopolimert.

Az eredeti háromdimenziós CAD modellt rétegekre bontják, amelyeket a lézer egymás után rajzol meg. A folyadékba egy perforált tálcát engednek, éppen annyira, hogy a fölötte lévő anyag egyetlen réteg vastagságú legyen. Ebből a lézer megrajzolja a modell első metszetét, ami a sugár hatására megszilárdul. Ekkor a tálca egy rétegnyit ismét lesüllyed, a lézer pedig megrajzolja a következő réteget és így tovább, egészen amíg el nem készül a kívánt tárgy. Ez után a gép  kiemeli a majdnem kész végeredményt a folyadékból, amire még vár egy kör az UV-kemencében, ahol az esetleg lágyan maradt részek is teljesen megszilárdulnak. A sztereolitografikus 3D nyomtatók máig a legpontosabbak közé tartoznak, egy-egy réteg akár 0,06 milliméter vékony is lehet.

Egy másik módszer a DLP projektoros technológia, ami gyakorlatilag megegyezik az SLA-k működési elvével, ám a hasonlóan folyékony alapanyagra, a körberajzolás helyett egészben vetítik ki az egyes rétegeket, ami jóval gyorsabbá teszi a gyártást. Ugyancsak folyékony fotopolimerrel dolgozik az úgynevezett “material jetting” módszer, amelyet az Objet nevű vállalat fejlesztett ki. Működése lényegében az SLA-k fordítottja, a nyomtató asztali tintasugaras testvéreihez hasonlóan rajzolja meg a metszeteket, melyeket ez után szilárdít meg az UV-fény. A technológia előnye, hogy egyetlen tárgy elkészítéséhez több, akár tizennégyféle anyagot is képes felhasználni.

Nem csak a fotopolimereké a világ

Egy újabb metódus az anyag-extrudáció, vagy ahogy kifejlesztője, Scott Crump 1988-ban elnevezte, a “fused deposition modelling”, röviden FDM. Ez is a tintasugaras nyomtatókhoz hasonlóan dolgozik (plusz egy dimenzióval természetesen), ám esetében már nincs szükség UV-fényre, a gyártáshoz ugyanis forró műanyagot használ, amely később magától megszilárdul. Az FDM gyakorlatilag az egyszerű fröccsöntésből ismert alapanyagokkal is képes dolgozni, de bármilyen, magas hőmérsékleten folyékony anyaggal, például sajttal, csokoládéval vagy betonnal is boldogul.

A következő módszer a “binder jetting”, ahol a por állagú alapanyagrétegeket egy ragasztóanyaggal kötik meg egymás után. Ebben az esetben is lehetőség nyílik többféle anyag használatára, egyes nyomtatók akár acélporból is képesek létrehozni a terméket. Végül létezik még a “selective laser sintering” (SLS) eljárás is, amely a binder jettinghez hasonlóan porrétegekkel dolgozik, ám azokat ragasztóanyag helyett, lézersugár segítségével forrasztja össze, legyen szó fémről, viaszról vagy műanyagról. A technológiának több alfaja is van, némelyik az összetapadáshoz megfelelő hőmérsékletre hevítés helyett teljesen megolvasztja az alapanyagot, ám lényegükben nem különböznek az SLS-től.

3D nyomtatás otthon?

A 3D nyomtatás tehát igen sokszínű, gyökerei pedig egészen a nyolcvanas évek hajnaláig nyúlnak vissza. Kezdete a már említett úriemberhez, Charles Hullhoz és a sztereolitográfia 1983-as feltalálásához köthető. Hull a kezdeti sikeren felbuzdulva, 1986-ban alapította meg a 3D systems vállalatot, amely 1992-ben dobta piacra az első SLA nyomtatót.

Ettől kezdve számos területen kezdték használni a technológiát, amelynek egyik legfontosabb területe - elsőre talán meglepő módon - az orvostudomány. 1999-ben a kutatók 3D nyomtatással készült vázakra mesterségesen növesztettek szövetet, és beültették az első laboratóriumi körülmények között növesztett szervet is. A technológiát a Wake Forest Institute for Regenerative Medicine fejlesztette ki, lehetőséget adva további szervek nyomtatására, amelyek csaknem lenullázzák a kilökődés kockázatát, hiszen a betegek saját szöveteivel egészülnek ki. 2002-ben a módszert tovább finomították, és sikeresen hoztak létre 3D nyomtatással egy miniatűr, működő vesét. A mesterséges vese képes egy kisebb állat vérének megszűrésére, és vizelet előállítására.

A technológia azonban egészen a közelmúltig legfeljebb a nagyvállalatok és laboratóriumok számára volt elérhető, a magas költségek miatt. Az első lépést, amely a 3D nyomtatást közelebb hozta a tömegekhez, 2005-ben Dr. Adrian Bowyer, a Bathi Egyetem professzora tette meg, mikor megalapította a RepRap nevű open source kezdeményezést, melynek célja egy olyan, binder jetting rendszerű 3D nyomtató megépítése, amely képes saját alkatrészeinek nagy részét létrehozni. A projekt az olcsó RepRap egységek piacra dobásával azt akarja lehetővé tenni, hogy minimális befektetéssel bárki megépíthesse saját készülékét.

^{RepRap Darwin}

2006-ban jelent meg az első SLS készülék, és az Objet is ebben az évben fejlesztette ki 3D nyomtatóját, amely egyszerre többféle alapanyagból is képes dolgozni. 2008-ban a RepRap Project egy lépéssel ismét közelebb juttatta a technológiát a háztartásokhoz, mikor bemutatta az első önmagát sokszorozni képes keresztelt 3D nyomtatót, amely a Darwin nevet kapta. De nem az evolucionista eszköz az egyetlen, ami plusz egy nyomtatható dimenziót ad az átlagemberek kezébe, ugyanebben az évben a Shapeways nevű vállalat 3D nyomtatási szolgáltatást és közösséget indított el, amelyen keresztül a mérnökök, művészek, tervezők és lelkes amatőrök olcsón változtathatják három dimenziós terveiket kézzel fogható tárgyakká.

2008 újabb áttörést hozott a 3D nyomtatás világába az orvostudomány területén, ekkor kapott először 3D nyomtatással készült lábprotézist egy beteg. A műlábat a Bespoke Innovations alkotta meg, annak minden alkatrészét - térd, lábfej stb. - egyben nyomtatták ki, nem volt szükség összeszerelésre.

Erek, autók és repülők

2009-ben a MakerBot Industries csapata piacra dobta az első, kifejezetten otthoni, "csináld magad" 3D nyomtatót, aminek az összeszerelését egyébként már a vásárlókra bízták. Ugyanebben az évben egy orvostudományi áttörésnek magyar vonatkozása is van, az Organovo vállalat Dr. Forgács Gábor kutató fejlesztéseit használva hozza létre az első nyomtatott véreret. A technológia 2011-ben szó szerint szárnyakra kap, amikor a Southamptoni Egyetem mérnökei megépítették az első 3D nyomtatással készült repülőgépet. A gyártási módszer lehetővé teszi, hogy aerodinamikailag rendkívül előnyös, elliptikus szárnyakat készítsenek, ami hagyományos esetben meglehetősen drága mulatság. A pilóta nélküli gép mindössze hét nap alatt, 5000 fontos költségvetésből készül el.

Modern SOC, kiberhírszerzés és fenntartható IT védelem (x) Gyere el meetupunkra november 18-án, ahol valós használati eseteken keresztül mutatjuk be az IT-biztonság legújabb trendjeit.

De a közlekedés földhöz ragadtabb fajtái sem maradnak nyomtatott jármű nélkül: a Kor Ecologic nevű cég a kanadai TedxWinnipeg konferencián bemutatta Urbee nevű gépjárművét, amelynek karosszériája 3D nyomtatással készült. A cél egy olcsó, energiahatékony autó létrehozása, az Urbee autópályán 85 kilométert képes megtenni 1 liter üzemanyaggal, városban pedig nagyjából ennek felét. A cég jelenleg ennek utódán, az Urbee 2-n dolgozik, amelyet tömeggyártásba is dobna, amennyiben sikerül összekalapoznia a megfelelő mennyiségű tőkét.

Természetesen a luxusipar is felfigyel a technológiában rejlő lehetőségekre - már ha magát a 3D nyomtatást nem számítjuk luxusnak -, az i.materialise cég a világon elsőként 14 karátos aranyat és 92.5 százalékos tisztaságú ezüstöt kezdett alapanyagnak használni, új kapukat nyitva az ékszerészet területén. A technológia fontosabb állomásainak sorát egy újabb orvostudományi és egy űrtechnikai fejlesztés zárja, 2012-ben Hollandiában orvosok és mérnökök segítségével beültették az első 3D nyomtatással készült alsó állkapcsot, 2013-ban pedig már a NASA is alkalmazni kezdte a módszert rakétaalkatrészek gyártásához.

A fenti példákból jól látszik, hogy az elsőre sokak számára legfeljebb jópofa hobbinak tűnő 3D nyomtatás milyen sok területen felhasználható. Bár az átlagemberek egyelőre nem férnek hozzá egy-egy készülékhez olyan könnyen, a MakerBot Replicator ára például 2200 dollár, de egyértelmű hogy ez a közeljövőben változni fog. Ha pedig elterjed, újra kell értelmeznünk nemcsak a gyártás, de a fogyasztás fogalmát is: egy 3D nyomtatóval otthon is létrehozhatók olyan tárgyak, amiket jelenleg üzletben szokás vásárolni, így a készülék rövid idő alatt behozhatja az árát.