Miláčku, vytiskl jsem novou televizi

PETR TOMEK  |  

Jen si to představte: Na internetu si prostě najdete správné soubory, stáhnete si je a na domácí tiskárně si vytisknete nový nábytek, nádobí, oblečení nebo televizor. Jistě jste v některém fantastickém seriálu viděli stroj, který dokáže vyrobit téměř cokoli, pravděpodobně jen na základě dat dodaných počítačem. Určitě jste si přitom říkali: „Tak tohle prostě opravdu nejde.“ Tak si hned na začátek řekněme, že jste se tak trochu mýlili. Tedy, dnes je to ještě sci-fi, ale ne tak docela. Výroba skutečných předmětů jen z počítačových dat je sice už skutečností, ale zdaleka není ani levná, ani snadná. Pokud si ale vzpomeneme, na jaké úrovni byla například počítačová grafika v osmdesátých letech a na jaké je dnes, můžeme jen hádat, jak daleko se může vyvinout technologie 3D tisku v následujících desetiletích. Ostatně už dnes můžeme díky 3D tisku vidět věci skutečně nevídané. Nejprve se ale podívejme na principy, které takové divy umožňují.

Na počátku…

Pokud se chceme dopátrat počátků strojů na výrobu čehokoli, dostaneme se postupně až k NC strojům vyráběným od čtyřicátých let minulého století.Ještě před nimi bychom našli tkalcovské stavy programované děrnými štítky, ale to bychom se zamotali do celé historie automatizace. Podstatné bylo, že NC neboli číslicově řízené stroje a jejich pozdější nástupci CNC neboli počítačově číslicově řízené stroje jsou skutečně jen běžnými stroji – frézami, vrtačkami, bruskami atd., které se od ostatního zařízení liší jen tím, že nejsou ovládány přímo rukou člověka.

Tato linie vedla jak k továrním robotům a automatům vyřezávajícím laserem nebo vodním paprskem tvary z výchozího materiálu, i k tak prozaické věci jakýou jse naše domácí počítačová tiskárna. Nezdá se to jako nic zvláštního, nicméně v řadě kroků vedoucích k univerzálním strojům a 3D tiskárnám to byl první krok.

Druhým, ale neméně důležitým krokem byl rozvoj CAD neboli počítačem podporovaného kreslení. Samozřejmě je myšleno technické kreslení. Opět nám nová technologie kromě navrhování pěkných nových strojů umožnila také tvorbu 3D animací a nebývalý rozvoj prostředí počítačových her. Ale o tom až jindy. Tentokrát bylo důležité, že počítač dokázal zaznamenat a uložit do paměti trojrozměrný objekt. Do vývoje zasáhly i další objevy, jako například vynález fotopolymerů (umělých hmot tvrzených světlem) nebo objev laseru, ale ty byly důležité jen pro některé principy těchto podivuhodných strojů.

Rapid prototyping

Prvními stroji vyrábějícími libovolné tvary podle přání a počítačových dat svého uživatele nebyly ještě skutečné 3D tiskárny, ale stroje založené na jiných a velmi rozdílných principech. Protože bylo potřeba nějak označit to, co vlastně prováděly, vznikl poněkud kostrbatý název rapid prototyping – tedy něco jako rychlá výroba prototypů. Nejstarší z nich je metoda nazývaná stereolitografie, která byla patentována už v roce 1986.

Miláčku, vytiskl jsem novou televizi

Používá se při ní vanička s tekutým fotopolymerem, ve které je vodorovně s jeho hladinou umístěna destička sloužící jako podklad budoucího výrobku. Nad ní se pohybuje UV laser s optikou soustřeďující jeho záření do bodu přesně na hladině fotopolymeru. Fotopolymer se vytvrdí jen v místech ozářených laserem a jen v poměrně nepatrné hloubce.

„Tištěné“ části tedy ztvrdnou, zatímco ostatní fotopolymer zůstává tekutý. Po ozáření každé jednotlivé vrstvy se deska s výrobkem nepatrně ponoří hlouběji do fotopolymeru. Protože výrobek vzniká ve vodorovných vrstvách, musí před tiskem počítač rozložit trojrozměrný obraz na množství dvojrozměrných horizontálních průřezů. Tento postup ostatně převzaly i ostatní způsoby rapid prototypingu.Další technika, která se objevila jen krátce po stereolitografii, se jmenuje FDM neboli fused deposition modeling.

Při ní je výrobek „vytištěn“ pomocí trysky vystřikující roztavený plast. Třetí metoda působí ve srovnání s předchozími poněkud rustikálně. Technologie LOM (laminated object manufacturing) vyvinutá společností Helisys totiž používala k výrobě papírový pás a lepidlo. Obrys do každé nově nalepené vrstvy papíru vypaloval laser. Výsledek připomínal vzhledem i vlastnostmi dřevo a dal se použít jako model pro výrobu formy.Musel se však nejprve nalakovat, aby se zabránilo jeho poškození vlhkostí. Proti jiným metodám měla ale technologie LOM několik nepříjemných problémů.

Pokud měl výrobek složitý povrch nebo uzavřené duté části, mohlo být téměř nemožné dostat odtud vyřezaný odpadní materiál. Tato metoda se dnes už nepoužívá. Neuvěřitelně vypadá další metoda – EBM (electron beam melting). Při ní se jako materiál používá kovový prach (zpravidla titan). Celá „tisková“ mechanika je ukryta v komoře s vysokým vakuem.

Jednotlivá zrnka kovového prachu k sobě svařuje proud elektronů. Výsledkem je pevně slinutý kovový výrobek. Podobná technika SLS (selective laser sintering) využívá k slinování kovového prachu laser. Tisk pak sice nemusí probíhat ve vakuu, ale výsledek je pórovitý, a tak se pro některé účely musí ještě zpevňovat v peci. Miniaturní výrobky z fotopolymeru vznikají metodou 3D microfabrication.Polymer při této metodě není tekutý, ale má podobu průhledné želatinové kostky.Uvnitř ní vykreslují tvar budoucího předmětu dva laserové paprsky. Dostatečná energie k vytvrzení fotopolymeru vzniká jen na místech, kde se oba paprsky protnou. Po skončení celé operace se nevytvrzená vrstva želatiny prostě omyje.

3D tiskárny

Konečně se dostáváme k 3D tiskárnám, které mají více společného s našimi běžnými domácími tiskárnami než s kosmickými nebo dílenskými technologiemi. Základem je téměř běžná počítačová tiskárna. Liší se hlavně v použitém „papíru“ a „inkoustu“.Jednodušší systémy používají tisk do prachové vrstvy. Vrstva prášku (například sádry nebo kukuřičného škrobu) je před každým průchodem tiskové hlavy nanesena na předchozí vrstvy. Tisková hlava pak do potiskovaných míst namísto inkoustu nanese lepidlo. Protože tisková hlava může mít i několik trysek s různě zbarvenými lepidly, je při této metodě možné tisknout nejen trojrozměrně, ale zároveň i barevně. Protože díky prášku zůstávají předměty na svém místě, lze vytisknout i předměty, které se navzájem prostupují, jako například oka řetězu nebo do sebe vsazené duté koule.

Miláčku, vytiskl jsem novou televizi

Ovšem nutností je udělat jim v takovém případě otvory, kudy by šel zbylý prášek vysypat. Jinou metodu, vycházející také z principu běžné počítačové tiskárny, používá firma Objet Geometries Ltd.Na destičku, která se postupně posouvá dolů s každou natištěnou vrstvou, se tiskne fotopolymerem, který vzápětí vytvrzuje světlem. Jak je vidět, metod pro tisk ve třech rozměrech bychom měli dost. Ovšem ani tento výčet nemusí být úplný. Je celkem pravděpodobné, že právě teď někde vzniká další zajímavý způsob 3D tisku.

Netušené možnosti

Zatím je jasné, že k replikátorům ze Star Treku, které vám na místě syntetizují požadovaný nápoj příslušné teploty i se skleničkou, máme ještě daleko. Přesto nám už dnes ukazují stroje na rapid prototyping možnosti, které by nás ještě nedávno nenapadly. Spékáním titanového prachu vznikají funkční náhrady kostí, které snadno srůstají s původní tkání.Stereolitografie nabízí paleontologům a antropologům možnost vytvářet věrné modely kostí i měkkých tkání tam, kde k úplnosti množství fragmentů chybí.

Miláčku, vytiskl jsem novou televizi

Přitom není nutné skutečné nálezy nijak slepovat nebo vystavovat nebezpečí zničení. Lékaři si mohou nechat zhotovit model kosti, mozku nebo embrya podle dat z počítačového tomografu, magnetické rezonance nebo ultrazvuku. Archeologové ocení možnost převést rekonstruovanou podobu zaniklých staveb přímo do trojrozměrného modelu. Ještě bizarnější je možnost vytvářet některé součásti počítačů přímo v tiskárně. Například při výrobě elektronického papíru nebo OLED displejů by mohl 3D tisk výrazně snížit dnešní přehnaně vysoké ceny. Nečekaně vtrhly 3D tiskárny také do světa filmu.

Chopila se jich totiž společnost Laika Entertainment z amerického Portlandu, která s jejich pomocí vyrobila animovaný film Koralína a svět za tajnými dveřmi.Ale asi nejpodivnějším návrhem by byla možnost vytvářet 3D tiskem funkční náhrady orgánů. Přišel s ním biofyzik Gabor Forgacs z University of Missouri v Kolumbii. Nosnou složku by nahradil gel a tekutina s chomáčky volných buněk inkoust nebo lepidlo. Podle Gaborova mínění by bylo možné při zvládnutí technologie tisku vytvářet i náhrady složitých orgánů, jako jsou například srdce nebo ledviny. Různé druhy inkoustů by v takové lékařské tiskárně představovaly tekutiny s odlišnými typy buněk.


RepRap V polovině dvacátého století předložil John von Neumann ideu stroje nazývaného universal constructor, který by dokázal zreplikovat sám sebe. Od té doby je to oblíbený námět mnoha hororových sci-fi. Ne všichni si ale myslí, že by musel být universal constructor pro lidstvo nejhorším nepřítelem. Projekt RepRap založil Adrian Bowyer, jenž jinak působí jako asistent na katedře strojírenství univerzity v Bathu. Kromě snahy o sebereplikaci dokáže tisknout také věci denní potřeby, jako kliky, háčky na šaty a podobně. Projekt je šířen pod licencí GNU, která umožňuje volné šíření a jeho další vývoj. Zatím spatřily svět dva typy konstruktoru RepRap. První RepRap vznikl už v roce 2006, ale za plnou verzi byl prohlášen až následující prototyp nazvaný RepRap I „Darwin“ dokončený roku 2008. Další verze RepRap II „Mendel“ by měla být dokončena v nejbližších dnech. 29 května 2008 vytvořil přístroj RepRap I „Darwin“ kopie vlastních součástí, z nichž byl zkompletován jeho „potomek“. Také šíření díky volné licenci probíhá úspěšně. Už 23. září 2008 existovalo na světě více než 100 přístrojů RepRap. Dokonalá kopie Kromě tisku z podkladů vytvořených v CAD aplikacích je i množství jiných možností, zvláště tam, kde metody zobrazení nabízejí 3D data.

To bývá samozřejmé u různých lékařských zobrazovacích metod (počítačová tomografie, magnetická rezonance). Pro běžné použití se nabízí mnohem méně náročné použití 3D skenerů. K odvození vzdálenosti (a tedy i tvaru) jednotlivých částí skenovaného předmětu používá rozdíl ve snímaném obrazu. Skutečná 3D podoba tedy vzniká až v počítači, a to velmi podobně, jako je vytvářen obraz trojrozměrného prostoru v našem mozku. Malé předměty se skenují na rotující podložce, na velké (jako například součásti automobilů) je potřeba použít ruční stereoskopický skener. Kromě uplatnění ve filmovém umění je možné samozřejmě vytvořit i věrný 3D model.

Dva pytle cukru The CandyFab

Miláčku, vytiskl jsem novou televizi

Project uvádí ve zprávě na svých stránkách www.candyfab.org, že přináší evoluci v karamelizaci. Kromě toho se s ním můžete setkat také na webových stránkách www.evilmadscientist.com. Cílem snažení jeho tvůrců bylo vytvoření laciné 3D tiskárny. Inspirovali se technologií spékání titanového prachu pomocí laserového paprsku. Pochopitelně ani laser, ani titan s představou laciné 3D tiskárny příliš neladí. Laserový paprsek tedy nahradila horkovzdušná tryska a titanový prášek cukr. Samozřejmě že s takovým vybavením není možné vyrábět jemné modely. Výrobky z cukrové tiskárny jsou tedy gigantické. Vždyť také prostorový pixel má rozměry 0,5 až 1 cm!

Nejčtenější