Drukarki 3D. Wstęp do rozważań o produkcji przyrostowej

UWAGA – zanim zaczniesz czytać dalej

Drukowanie 3D to bardzo obszerne zagadnienie, którego nie da się przełknąć na jeden raz. Jeden artykuł to właściwie dopiero wstęp do rozważań na temat druku 3D; nie mogliśmy w nim opowiedzieć o wszystkim szczegółowo. Nie musisz też czytać całego artykułu – wybierz interesujące Cię strony, a do reszty wróć później.

• Jeśli interesuje cię zasada działania, przeczytaj następne cztery strony.
• Jeśli chcesz wiedzieć, po którą drukarkę pędzić do sklepu, przeczytaj stronę 14.
• Jeśli nie wiesz, co sądzić o sensacyjnych nagłówkach prasowych na temat druku 3D, poczytaj odpowiedzi na często zadawane pytania.

Jeśli masz już jakieś doświadczenie praktyczne w tej dziedzinie, zapewne wiesz więcej, niż mogliśmy tu powiedzieć, ale i tak zachęcamy do przeczytania całego artykułu – na pewno znajdziesz dla siebie coś ciekawego.

Skąd nagłe zainteresowanie drukiem 3D?

W ostatnich latach zainteresowanie drukiem 3D eksplodowało, choć pomysł i wymagane rozwiązania techniczne są stosunkowo stare. Drukarka 3D to rodzaj maszyny CNC, czyli sterowanej cyfrowo za pomocą komputera. Koncepcyjnie jest bardzo podobna do frezarki numerycznej, plotera, a nawet drukarki do papieru: i tu, i tam komputer steruje silnikami, które przesuwają jakiś element wykonawczy, na przykład frez albo dyszę z atramentem.

Pierwsze urządzenia, które dziś byśmy nazwali drukarkami 3D, powstały w latach 80. ubiegłego wieku. Były duże, drogie w eksploatacji i skomplikowane, ale na tyle obiecujące, że dalej rozwijano tę metodę. W latach 90. pojawiły się pierwsze drukarki, jakie dziś znamy: układające warstwy stopionego plastiku jedną na drugiej. Wreszcie w 2005 roku angielski uczony Adrian Bowyer rozpoczął przedsięwzięcie RepRap, od którego zaczęła się eksplozja taniego, hobbystycznego druku 3D.

Celem inicjatywy RepRap było stworzenie drukarki 3D, którą łatwo będzie można powielić. Drukarka miała wydrukować większość elementów konstrukcyjnych następnej drukarki, być tania w budowie i możliwa do złożenia w warunkach domowych. RepRap zdobył szaloną popularność, choć na pierwszy rzut oka nie przynosi żadnego przełomu.

Typowa maszyna RepRap składa się z plastikowych części konstrukcyjnych, metalowych prętów, łożysk, silników i mikrokomputera sterującego. Tylko te pierwsze można wydrukować; resztę trzeba kupić, ale są to standardowe, powszechnie dostępne komponenty używane w przemyśle. Funkcję mikrokomputera sterującego najczęściej pełnią tanie i popularne procesory Atmel AVR. Skoro to wszystko było już wcześniej, to skąd popularność RepRap?

Otóż projekt jest wolny i dostępny za darmo, rozwijany zgodnie z zasadą OSHW (open source hardware – sprzęt otwartoźródłowy). Projekt maszyny RepRap jest dostępny dla każdego, nieobciążony żadną opłatą licencyjną, patentami ani zakazem kopiowania. Licencja wymaga za to, żeby wszystko, co się zmieniło lub usprawniło w projekcie, również rozdawać na takich samych zasadach. To gwarantuje, że projekty następnych, coraz lepszych wersji maszyn RepRap będą cały czas dostępne bez ograniczeń.

Od 2005 roku stworzono kilka następnych modeli drukarek RepRap. Samodzielna budowa maszyny i rozwiązywanie napotkanych problemów wymagają pewnej wiedzy technicznej i ogromnej cierpliwości, dlatego pomysłowi przedsiębiorcy szybko zainteresowali się konstruowaniem i sprzedawaniem gotowych drukarek. Popularność domowego druku 3D zbiegła się z popularnością finansowania społecznościowego i projekty różnych drukarek zebrały ogromne sumy pieniędzy.

Najbardziej znana jest firma Makerbot i jej drukarka Replicator. Replicator podbił dużą część rynku dzięki wspaniałej reklamie i temu, że sprawiał wrażenie profesjonalnego produktu. Estetyczne czarne skrzynki spodobały się światu bardziej niż „druciane” RepRapy, a ludzie wreszcie uwierzyli, że ta technika może wiele zmienić w naszym życiu. Czy druk 3D ciągle jest domeną garażowych majsterkowiczów? Czy za parę lat drukarka 3D będzie stać w każdym domu obok atramentowej „plujki”? Postaramy się odpowiedzieć na te pytania na kolejnych stronach.

Jak działa typowa drukarka 3D?

Nie da się powiedzieć – nie ma czegoś takiego jak typowa drukarka 3D. Do produkcji addytywnej można zastosować bardzo wiele technik, każdą w cyfrowej maszynie nazywanej drukarką.

Stereolitografia (SLA)

Pierwszą wynalezioną metodą było budowanie przedmiotu ze światłoutwardzalnej żywicy – stereolitografia. Sterowany promień lasera miejscowo utwardza światłoczuły materiał; potem przedmiot zanurza się lekko w płynnej żywicy, a laser utwardza następną warstwę materiału. Z czasem powstało więcej odmian tej metody: w niektórych żywicę naświetla się miejscowo, skupioną wiązką światła, w innych naświetla się projektorem od razu całą warstwę, w jeszcze innych światłoczułą żywicę można nakładać miejscowo, po kropelce. Stereolitografia jest dziś najbardziej precyzyjną metodą druku 3D. Modele są bardzo gładkie, odwzorowują najdrobniejsze szczegóły i mogą zawierać kształty nieosiągalne innymi metodami (np. nawisy/mosty). Stereolitografia jest stosowana głównie w drogich, przemysłowych drukarkach. Przedmioty wykonane tą metodą są średnio wytrzymałe mechanicznie. Główną przeszkodą w upowszechnieniu się tych drukarek jest konieczność kontrolowania otoczenia (stała temperatura, zasłonięta komora robocza), wysoka cena światłoutwardzalnych materiałów i ich mała wytrzymałość.

Selektywne spiekanie i topienie laserem (SLS, SLM)

To bardzo obiecujące techniki, bo jako jedyne pozwalają produkować bardzo wytrzymałe metalowe przedmioty. Drukarki SLS/SLM zaczynają od równomiernego rozsypania w komorze roboczej bardzo cienkiej warstwy proszku. Następnie promień lasera miejscowo spieka lub stapia drobiny proszku, rysując obraz pierwszej warstwy. Potem nasypuje się następną porcję proszku i spieka drugą warstwę. W ten sposób można otrzymać przedmioty nieustępujące znacząco wytrzymałością odlewom. Tak wydrukowano na przykład komory spalania silników rakietowych Super Draco. Są też maszyny, które dostarczają metalowy proszek miejscowo, wydmuchując go w strumieniu powietrza tylko w wybrany obszar – te nie muszą zaczynać od zera, ale mogą „dodrukować” trochę materiału do istniejącego przedmiotu, co umożliwia naprawę specjalistycznych części. Selektywne spiekanie jest bardzo przydatne nie tylko w prototypowaniu: w przypadku skomplikowanych części jest tańsze od frezowania lub odlewania nawet w produkcji o dużej skali.

Selektywne sklejanie

To metoda podobna do selektywnego spiekania, ale materiały i sposób ich związania są inne. Najczęściej używa się proszku gipsowego, nad którym przesuwa się głowica wypuszczająca klejący tusz. Taka maszyna ma wiele wspólnego z drukarką atramentową do papieru. Dzięki mieszaniu kolorów spoiwa można wydrukować pełnokolorowy przedmiot, który nie wymaga po skończeniu żadnej obróbki. Takie wydruki mają niewielką wytrzymałość i nadają się głównie na makiety. Z tego powodu są używane głównie w branży architektonicznej. Nasypywanie proszku i usuwanie jego nadmiaru powodują, że urządzenie jest na ogół znacznie większe niż jego przestrzeń robocza.

Laminacja

Tej metody nie można nazwać produkcją całkowicie addytywną, bo wymaga również usuwania materiału. Polega na wycinaniu kolejnych warstw wydruku z papieru, a następnie sklejaniu papierowych kształtów. Laminacja pozwala uzyskać bardzo duże przedmioty. Również bywa używana w architekturze do produkcji makiet. Jej zaletą jest bardzo niski koszt materiału; niestety, wytwarza też dużo odpadu, a wydruki są mało wytrzymałe.

Fused Filament Fabrication (FFF/FDM)

I wreszcie najpopularniejsza technika, ta która podbiła rynek hobbystyczny i małych przedsiębiorstw. Polega na topieniu tworzywa sztucznego i układaniu go w cienkich ścieżkach, jedna przy drugiej. Warstwy plastiku spajają się, stygnąc.

Termoplastiki, czyli tworzywa sztuczne, które można formować na gorąco, są stosunkowo tanie i dostępne na całym świecie. W konstrukcji maszyna FFF jest prostsza od innych typów i wymaga niewielu kosztownych części: nie ma laserów ani projektora, tylko popularne silniki krokowe i trochę elementów mechanicznych. Przedmioty wykonane tym sposobem są lekkie i wytrzymałe, a tworzywa, którymi się drukuje, są powszechnie używane w prawie każdym gospodarstwie domowym. To sprawiło, że drukarki RepRap wykorzystujące tę technikę stały się bardzo popularne, są tanie i łatwo dostępne. W przeciwieństwie do innych metod FFF jest w niewielkim stopniu obciążona patentami, które utrudniałyby szybki postęp techniczny. Najważniejsze wciąż opatentowane rozwiązania w tej dziedzinie (np. podgrzewana komora robocza) i tak nie stałyby się popularne ze względu na duży koszt i skomplikowanie produkcji. Obwarowana licencją jest za to inna nazwa tej metody: skrótu FDM (Fused Deposition Modeling) mogą używać tylko firmy Stratasys i MakerBot...

W dalszej części artykułu zajmujemy się prawie wyłącznie techniką FFF: tylko ona jest już teraz dostępna powszechnie i tanio i to ona może mieć w bliskiej przyszłości duży wpływ na nasze życie.

Niedościgniony ideał: kompilator materii

Gdzieś w przyszłości czeka na nas niedościgniony ideał w produkcji addytywnej: kompilator materii albo uniwersalny fabrykator. To hipotetyczne urządzenie pojawiło się w serialu Star Trek jako replikator, w książce Neala Stephensona Diamentowy wiek, jak również w grze Deus Ex jako universal constructor. Kompilator materii manipuluje z absolutną precyzją pojedynczymi atomami albo cząsteczkami chemicznymi, układając je w dowolne struktury. Pozwala wykonać nieodróżnialną, wierną co do atomu kopię przedmiotu albo na podstawie zapisanego cyfrowo projektu wytworzyć dowolny przedmiot, nieodróżnialny od naturalnego. Znaczenie takiego wynalazku byłoby ogromne; w science fiction albo jest on bardzo ograniczony (w Deus Ex fabrykatorem dysponują tylko sekretne stowarzyszenia; w Star Treku replikator nie umie wytwarzać wielu cennych materiałów), albo jest jednym z centralnych elementów fabuły i czynnikiem kształtującym społeczeństwa. Kompilator materii jeszcze długo pozostanie w sferze science fiction; zapewne prędzej doczekamy się nanomaszyn budujących przedmioty z kawałków materiału większych niż atomy.

Fused Filament Fabrication – ograniczenia techniki

Specyfika taniego druku 3D

Układanie warstw stopionego materiału to wbrew pozorom bardzo ograniczony sposób. Przede wszystkim jest bardzo niewiele surowców, które da się do tego wykorzystać. Materiał musi być sztywny w stanie niestopionym, odpowiednio płynny w stanie stopionym, musi się topić w umiarkowanej temperaturze, stygnąć szybko i bez deformacji... Stąd lista materiałów, którymi można tanio drukować, jest stosunkowo krótka. Może i jest na niej wiele rodzajów termoplastiku, ale nie ma między nimi zasadniczych różnic.

Układanie warstw ogranicza też strukturę drukowanego przedmiotu. Grubość układanej warstwy jest o rząd wielkości mniejsza niż jej szerokość; drukarka ma zatem dużą rozdzielczość w jednej osi i mniejszą w dwóch pozostałych. Wydruki są mniej wytrzymałe na siły działające w poprzek warstw. Kolejne warstwy nie mogą też być zawieszone: muszą być oparte na poprzednich albo na strukturze podporowej (którą trzeba po drukowaniu usunąć).

Wreszcie rozmiar wydruku jest ograniczony rozmiarem maszyny. Przestrzeń robocza jest najczęściej prostopadłościanem o wielkości określonej możliwościami ruchu głowicy drukującej i stołu roboczego. Drugim ograniczeniem wielkości jest materiał: bardzo duże przedmioty są bardziej podatne na deformacje albo pękanie. Popularne drukarki mogą produkować obiekty o wielkości od kilkunastu do około 30 cm.

Rozdzielczość drukowania zależy od grubości warstw plastiku i jakości maszynerii. Ruchome elementy maszyny muszą być precyzyjnie wykonane i spasowane, żeby stawiały jak najmniejszy opór w ruchu i jednocześnie miały jak najmniej luzów. W dobrze wykonanej drukarce dokładność maszynerii jest wystarczająca, żeby jedyne widoczne niedoskonałości przedmiotu wynikały z grubości warstw i jakości plastiku.

Czym się różnią różne modele?

• postacią – czy mamy do czynienia z zestawem części czy ze złożoną, skalibrowaną drukarką?
• rozmiarem przestrzeni roboczej – najmniejsze maszyny drukują przedmioty o maksymalnych wymiarach około 10 cm × 10 cm × 10 cm, a największe – nawet do 30 cm × 30 cm × 30 cm;
• funkcjonalnością przestrzeni roboczej – czy drukarka ma podgrzewany stół roboczy (umożliwia drukowanie ABS), czy ma więcej niż jedną głowicę (umożliwia drukowanie dwoma lub więcej materiałami w obrębie jednego wydruku)?
• sterowaniem – niektóre drukarki muszą być połączone z komputerem przez cały czas drukowania, inne potrafią odczytać model z karty pamięci lub pendrive'a;
• oprogramowaniem – drukarki RepRap i te konstruowane na zamówienie korzystają z uniwersalnego, często otwartoźródłowego oprogramowania; profesjonalne maszyny mają często specjalny program „kombajn”, ułatwiający obsługę;
• mechaniką – najczęściej spotykane są drukarki kartezjańskie, w których głowica i stół roboczy poruszają się po trzech prostopadłych osiach. Wśród nich są takie, w których stół porusza się w osi Y, a głowica w X i Z (RepRap Mendel), takie ze stołem ruchomym w Z, a głowicą w XY (najpopularniejsze wśród komercyjnych drukarek), i wiele innych. Są też maszyny niekartezjańskie, na przykład delta (głowica porusza się na końcach trzech ramion rozstawionych promieniście), i polarne (stół się obraca, a głowica porusza w osi Z i po promieniu stołu);
• obsługą techniczną – zestawy obejmuje gwarancja na części, a nie na złożoną drukarkę. Złożone drukarki mogą mieć dłuższą lub krótszą gwarancję, a informacje o nich i fachowa pomoc mogą być lepiej lub gorzej dostępne.

Materiały: ABS, PLA, inne termoplastiki, kompozyty

Materiał zależy od użytej techniki druku. Drukować da się niemal każdym jednolitym materiałem: plastikami, żywicami polimerowymi, szkłem, metalami, woskiem, gipsem... Wiele technik umożliwia zawieszenie drobnych obiektów w jakimś rodzaju nośnika, co pozwala drukować zawiesiną żywych tkanek, kompozytami plastiku z drewnem albo metalem, cukrem itp. Popularne drukarki FDM używają termoplastików, czyli polimerów, które stają się plastyczne pod wpływem wysokiej temperatury i mogą być wielokrotnie formowane.

PLA (polilaktyd, polikwas mlekowy)

Plastik pochodzenia roślinnego, produkowany z kukurydzy, ziemniaków, trzciny cukrowej, ryżu i innych zawierających skrobię upraw. Naturalnie przezroczysty, dzięki czemu łatwo go zabarwić na różne kolory. Topnieje w stosunkowo niskiej temperaturze: około 160°C. Względnie twardy i niesprężysty, wydruki są lekko błyszczące. Tylko minimalnie deformuje się podczas stygnięcia, co pozwala używać niepodgrzewanego stołu roboczego. Jest powszechnie wykorzystywany do produkcji opakowań, butelek, jednorazowych sztućców itp. Podczas topienia wydziela słodką woń podobną do zapachu gorącego oleju.

ABS (akrylonitrylo-butadieno-styren)

Plastik pochodzenia naftowego. Naturalnie jasnobeżowy, może być barwiony. Jest amorficzny, czyli nie ma ustalonej temperatury topnienia; w trakcie drukowania jest podgrzewany do około 220°C, zależnie od pigmentów i dodatków. Znacznie twardszy i odporniejszy na uderzenia, niż PLA; jest też bardziej sprężysty. Odrywa się od większości powierzchni podczas stygnięcia, co wymusza użycie podgrzewanego stołu roboczego. Nieodporny na promieniowanie UV i niektóre artykuły spożywcze, na przykład ocet. Rozpuszcza się w acetonie, co pozwala wygładzać wydruki oparami acetonu albo sklejać elementy z ABS jego małymi ilościami. Powszechnie używany do produkcji rur, artykułów gospodarstwa domowego, zabawek (np. klocków Lego). Podczas topienia wydziela potencjalnie szkodliwe opary o nieprzyjemnym zapachu.

Poliamid (nylon)

Rodzina polimerów formujących długie łańcuchy, łatwych do wyciągnięcia we włókna. Różne warianty topią się w różnej temperaturze, 220–265°C. Naturalnie przezroczysty lub biały, może być barwiony. Bardzo wytrzymały mechanicznie, elastyczny, używany głównie w postaci włókien do produkcji tkanin, lin, lekkich i wytrzymałych kompozytów. Może być szlifowany i frezowany. W druku 3D używany między innymi do produkcji protez (jest obojętny dla organizmu). Bardzo szybko wchłania wilgoć, a woda i wysoka temperatura depolimeryzują nylon – najlepiej wysuszyć filament przed drukowaniem. Nylonowy filament można zabarwić w domowych warunkach barwnikiem do tkanin.

TPU (termoplastyczny poliuretan)

Termoplastyczna forma poliuretanu, tworzącego większość syntetycznych pianek i gąbek. Elastyczny i odporny na ścieranie. TPU jest głównym składnikiem filamentów FilaFlex i NinjaFlex, znanych z drukowanych butów. Elastyczne filamenty topią się w temperaturze około 210°C, ale nie współpracują zbyt dobrze z niektórymi drukarkami.

HIPS (polistyren)

Właściwości termiczne i mechaniczne ma bardzo podobne do ABS, ale rozpuszcza się w innych rozpuszczalnikach (limonenie), dzięki czemu jest atrakcyjnym materiałem podporowym dla drukarek z dwiema głowicami.

PVA (polialkohol winylowy)

Polimer winylowy rozpuszczalny w wodzie, używany w farbach, poligrafii, produkcji specjalistycznych opakowań. Topi się w temperaturze około 200°C. Ze względu na rozpuszczalność jest wykorzystywany jako materiał podporowy w drukarkach z dwiema głowicami. Jest średnio dwa razy droższy od ABS czy PLA, co powoduje, że drukowanie podpór jest droższe niż drukowanie samego modelu.

TPC (termoplastyczny poliwęglan, Lexan)

Bardzo twardy, wytrzymały plastik. Najpopularniejsza forma jest naturalnie przezroczysta, wykorzystywana w przemyśle jako alternatywa dla szkła. Najbardziej znane produkty z TPC to nośniki optyczne (CD, DVD, Blu-ray), okulary ochronne i obudowy niektórych smartfonów (Samsung Galaxy, Nokia N9 i nowsze). Często mylony z PMMA (plexiglas, perspex), który jest tańszy, ale mniej wytrzymały mechanicznie. To materiał drogi i trudny w użyciu do drukowania 3D: wymaga stosunkowo wysokiej temperatury (blisko 300°C) i podgrzewanego stołu roboczego. Wydruki nie są przezroczyste ze względu na warstwową strukturę.

PET (poliester)

Popularny surowiec wykorzystywany w produkcji butelek, pojemników na żywność i syntetycznych włókien. Naturalnie bezbarwny, przejrzysty; topi się w temperaturze około 220°C. Wydruki nie są całkowicie przezroczyste ze względu na warstwową, niejednolita strukturę. W handlu dostępny pod marką t-glase.

Warianty polietylenu: HDPE, UHMWPE, LDPE

Najpopularniejszy plastik świata. Zależnie od długości łańcucha polimerowego tworzy odmiany o różnych właściwościach. LDPE, odmiana o niskiej gęstości, jest używany do produkcji toreb foliowych i innych opakowań. Cięższy HDPE jest używany do produkcji butelek, zabawek, pojemników i rur. Najcięższa odmiana, UHMWPE, jest bardzo wytrzymała mechanicznie i odporna chemicznie, robi się z niej między innymi implanty medyczne (sztuczne stawy), elementy mechaniczne maszyn i kamizelki kuloodporne. HDPE topi się w temperaturze około 230°C, łatwo się miesza ze stopionym ABS, deformuje podczas stygnięcia i wymaga podgrzewanego stołu roboczego. Dostępne są filamenty z mieszanki ABS i HDPE.

PP (polipropylen)

Popularne plastiki przemysłowe, używane na przykład w produkcji butelek, pojemników i artykułów gospodarstwa domowego. Topią się w temperaturach osiągalnych dla typowej drukarki FDM, ale deformują podczas stygnięcia, co wymusza stosowanie podgrzewanego stołu roboczego, a najlepiej zamkniętej komory roboczej.

Kompozyty

W handlu są dostępne również materiały kompozytowe, złożone z zawieszonych w termoplastiku drobin innego materiału. Najpopularniejsze to Laywoo-D3 i Laybrick: ten pierwszy zawiera pył celulozowy, a drugi – wapienny. Wydrukowane przedmioty przypominają wyglądem i fakturą drewno i piaskowiec, mogą być łatwo szlifowane i malowane. W zależności od temperatury przyjmują ciemniejsze lub jaśniejsze kolory oraz różną gładkość powierzchni, co pozwala na przykład imitować rysunek słojów drewna. Nie są wytrzymałe mechanicznie – filament i wydruki są kruche, dlatego ich użyteczność jest ograniczona do modelarstwa.

Pojawiają się też powoli inne materiały kompozytowe, na przykład z włóknami węglowymi albo substancjami przewodzącymi prąd. Ich właściwości mechaniczne niewiele odbiegają od właściwości plastiku, który jest głównym składnikiem takiego kompozytu, więc nie spodziewamy się w tej dziedzinie żadnych przełomowych innowacji.

Skąd się bierze surowiec?

Drukarki FDM używają surowca w postaci cienkiej struny, tak zwanego filamentu. Podstawową handlową formą większości tworzyw sztucznych są granulki, które można kupić stosunkowo tanio i w dużych ilościach. Filament do drukarek FDM jest produkowany przez topienie granulek tworzywa i wyciąganie go w strunę; jest sprzedawany w szpulach na kilogramy, rzadziej na metry.

Przekształcanie granulek na filament jest koncepcyjnie proste; odpowiednia maszyna jest znacznie prostsza od drukarki 3D i mógłby ją wykonać przeciętny ślusarz, ale jakość takiego filamentu będzie pozostawiała wiele do życzenia. Dobra struna musi mieć stałą średnicę i okrągły przekrój, nie może zawierać bąbelków powietrza, zanieczyszczeń ani słabszych odcinków. Ponieważ najczęściej używane termoplastiki absorbują wilgoć, filament powinien być wytwarzany z suchego plastiku i przechowywany w zamkniętych pojemnikach. Z tego powodu dwie szpule PLA kupione od różnych dostawców mogą się różnić właściwościami. Dlatego niektórzy producenci drukarek FFF (szczególnie tych droższych) zapewniają obsługę techniczną tylko użytkownikom drukującym firmowym filamentem, którego jakość można łatwo kontrolować.

Trudność w produkcji i różnice w jakości mogą wyjaśniać przepaść cenową między granulkami a filamentem z tego samego tworzywa. W Polsce granulaty ABS, TPU czy PLA można kupić hurtowo po 5 zł za kilogram, a ta sama ilość filamentu kosztuje (w handlu detalicznym) 10–20 razy więcej. Dalekowschodni eksporterzy oferują hurtowe ilości filamentu niewiele drożej niż granulat, ale koszt wysyłki i nieznana jakość takiego surowca zniechęcają do kupna. Na razie surowiec trzeba kupować w gotowej postaci od lokalnych dostawców. Wybór podstawowych materiałów jest stosunkowo duży, nawet na Allegro łatwo znaleźć dziesiątki rodzajów w różnych ilościach i kolorach. Bardziej egzotyczne i specjalistyczne materiały trzeba sprowadzać z zachodnich sklepów.

Od pomysłu do wydruku

Na początku trzeba mieć pomysł na przedmiot i to jest często najtrudniejszym etapem drukowania trójwymiarowego. Załóżmy, że mamy już w wyobraźni lub na papierze obraz przedmiotu, którego potrzebujemy. Do wytworzenia tego przedmiotu musimy wykorzystać kilka narzędzi, jak w każdej metodzie produkcji.

Po pierwsze: projekt

Drukarki 3D są maszynami sterowanymi cyfrowo, więc przedmiot musi być opisany w zrozumiałym dla nich języku. Trzeba mieć trójwymiarowy, cyfrowy model rzeczy. Można zrobić go od podstaw, używając niemal dowolnego programu komputerowego do modelowania. Nadają się te bardziej artystyczne (Maya, Blender, 3ds Max) i te bardziej inżynieryjne (AutoCAD, Solidworks, FreeCAD, OpenSCAD). Są też nowe, stosunkowo proste w obsłudze programy do modelowania, to jednak temat na inny artykuł.

Model można też zrobić z natury, wykorzystując skaner 3D. Skanery są różne: jedne bardzo precyzyjnie odtwarzają kształt małego przedmiotu, inne są hobbystycznymi kombinacjami sensorów, takich jak Kinect, i garści oprogramowania, jeszcze inne odtwarzają budynki lub pomieszczenia tylko na podstawie zdjęć, nawet wykonanych smartfonem. W większości przypadków rezultat działania skanera jest dobrą podstawą do dalszej pracy w tradycyjnym narzędziu do modelowania 3D. Prawie nigdy nie zapewnia on gotowego do druku modelu, którego jakość byłaby zadowalająca.

Można wreszcie skorzystać z jednego z gotowych projektów, których cała masa jest dostępna w internecie za darmo lub za niewielką opłatą. Powstały internetowe repozytoria modeli, często już gotowych do drukowania. Niektóre pozwalają się też łatwo dostosować do potrzeb, na przykład przez zmianę krytycznych wymiarów. Gotowych modeli można poszukać między innymi w następujących witrynach:

• Thingiverse – strona zarządzana przez firmę Makerbot. Gromadzi przesłane przez użytkowników, darmowe modele. Umożliwia dostosowanie niektórych projektów oraz pobranie plików źródłowych (np. SCAD).
• Youmagine, Bld3r – repozytoria z odnośnikami do innych stron udostępniających darmowe modele.
• GrabCAD – biblioteka płatnych i darmowych modeli technicznych i przemysłowych. Większość nie jest przygotowana do druku 3D, ale mogą pomóc w modelowaniu akcesoriów lub części zamiennych.

Lista nie jest wyczerpująca; stron z modelami 3D są dziesiątki i ciągle powstają nowe.

Skorzystać z gotowego modelu jest bardzo łatwo, ale ograniczenie się do tego niweczy główną zaletę drukarek 3D: możliwość zrobienia rzeczy, której jeszcze nikt nie zrobił albo która jest dostosowana do niepowtarzalnych potrzeb.

Po drugie: slicer

Trójwymiarowy cyfrowy model trzeba następnie uprościć i przekształcić na listę instrukcji dla maszyny. Służą do tego programy zwane slicerami (od słowa slice – kroić na plastry), które najpierw dzielą bryłę na cienkie równoległe warstwy, a każdą z warstw dzielą na ciasno ułożone ścieżki plastiku, na koniec zaś opisują te ścieżki językiem maszyn CNC. Standardowym formatem zrozumiałym dla wszystkich slicerów jest plik STL; każde popularne narzędzie do modelowania umie eksportować w tym formacie. Językiem maszyn jest z kolei g-kod (GCODE), w którym kolejne linie tekstu to kolejne polecenia: przesuń głowicę w dane miejsce z daną prędkością, rozgrzej głowicę, wypuść tyle i tyle stopionego plastiku...

Na tym etapie slicer musi brać pod uwagę docelową temperaturę głowicy drukującej, stołu roboczego, średnicę dyszy drukującej i inne parametry specyficzne dla drukarki, więc „pokrojony” model najczęściej nadaje się tylko do jednego modelu drukarki i jednego rodzaju filamentu. Dlatego modele rozpowszechnia się w niepokrojonej formie, w plikach STL.

Po trzecie: host lub drukarka

Gotową listę instrukcji dla maszyny w postaci g-kodu trzeba podać mikroprocesorowi sterującemu drukarką. Niektóre drukarki umieją odczytywać g-kod z karty pamięci lub pendrive'a, a nawet odbierać go przez Wi-Fi. Inne muszą być przez cały czas drukowania sterowane za pomocą peceta. Do sterowania służy tak zwany host – program komunikujący się z drukarką przez łącze USB (najczęściej emulujące port szeregowy). Host przesyła drukarce g-kod linia po linii; w razie zerwania komunikacji (np. zawieszenia komputera) drukarka dokończy wykonywanie ostatniego polecenia i się zatrzyma.

Większość oprogramowania do drukarek 3D jest jeszcze na etapie rozwoju. Choć to dopracowane i bardzo funkcjonalne programy, to ich rozwój ciągle dryfuje w różnych kierunkach. Niektóre to „kombajny” zawierające slicer i host, połączone łatwym w użyciu interfejsem użytkownika. Inne są w bardzo dużym zakresie konfigurowalne, ale mniej przyjazne w obsłudze. Do najpopularniejszych należą:

• MakerWare – „kombajn” do drukarek MakerBot. Bardzo łatwy i szybki w użyciu, ale produkuje własny wariant g-kodu, kompatybilny tylko z drukarkami MakerBot. Można w nim przeglądać repozytorium Thingiverse i kilkoma kliknięciami zacząć drukowanie znalezionego projektu.
• Cura – „kombajn” rozwijany przez firmę Ultimaker. Łatwy w użyciu, połączony z repozytorium Youmagine, kompatybilny z wieloma drukarkami. Program FOSS.
• Repetier-Host – host z możliwością wywołania własnego slicera. Rozpowszechniany ze Slic3rem. Kompatybilny z drukarkami o różnej geometrii i różnym wewnętrznym oprogramowaniu (firmware).
• Pronterface (Printrun) – otwartoźródłowy host, używany głównie w Linuxie.
• Slic3r – otwartoźródłowy slicer o bardzo bogatej funkcjonalności. Kompatybilny z większością drukarek (nie tylko FFF), ale niektóre odmiany geometrii i wewnętrznego oprogramowania są obsługiwane gorzej od tych najbardziej popularnych.
• Skeinforge – slicer w postaci skryptów Python. Trudny w obsłudze, rzadko stosowany.

Drogie drukarki zwykle są zaopatrywane w specjalne oprogramowanie, kompatybilne tylko z maszynami tego samego producenta. Takie wąsko wyspecjalizowane „kombajny” zazwyczaj są proste w obsłudze i zapewniają bardzo dobre rezultaty w połączeniu z daną drukarką, choć nawet ich duża funkcjonalność nie zwalnia całkowicie ze zrozumienia ograniczeń druku FFF.

Najtańsza: Mark34

Przygotowany przez rzeszowską firmę Jelwek zestaw Mark34 to jeden z najtańszych sposobów na domowe drukowanie 3D. Można by jeszcze trochę zaoszczędzić, samemu dobierając i kompletując części (zakładamy, że będą to najtańsze oferty). Za to kupując gotowy zestaw, dostajemy wszystko naraz, w jednej paczce, i mamy pewność, że wszystkie te komponenty da się złożyć w działającą maszynę (w praktyce – prawie pewność, ale o tym za chwilę).

Najważniejsza informacja o modelu Mark34 to ta, że to jest zestaw części, a nie drukarka. Maszynę trzeba samodzielnie złożyć, ale nie tak jak meble z Ikei – potrzebne są pewne umiejętności techniczne i narzędzia, których nie ma w każdym domu. Niestety, strona producenta nie informuje o tym dość wyraźnie. Dobrym wzorem do naśladowania byłby sklep MakerGear, który bardzo dobitnie ostrzega, w co się pakuje nabywca zestawu.

Szok informacyjny dotyczy, oczywiście, tylko tych, którzy oszołomieni wizją posiadania drukarki 3D kupią zestaw Mark34 bez większego namysłu. Kto wcześniej czytał jakiś poradnik budowy drukarki, choćby na stronie przedsięwzięcia RepRap, nie będzie zaskoczony, że potrzebuje:

• lutownicy (i umiejętności posługiwania się nią)
• multimetru
• kluczy imbusowych różnych rozmiarów
• pilników 
• śrubokrętów
• dodatkowych przewodów, rurek termokurczliwych, potencjometru
• młotka, kluczy, kombinerek
• suwmiarki
• kleju
• przestrzeni roboczej, którą można swobodnie zająć na wiele dni (biurko komputerowe i stół kuchenny odpadają).

Za to wielu posiadaczy tych narzędzi będzie zachwyconych, bo praca nad takim zestawem to sama przyjemność z majsterkowania, uwolniona od problemów projektowania i prototypowania (niemalże, ale o tym za chwilę...). Zrobienie wszystkiego własnoręcznie może potrwać kilka albo kilkanaście popołudni, ale zaoszczędzi czas niezbędny na późniejszą konserwację drukarki. Podczas montażu poznaje się dokładnie konstrukcję maszyny, co ułatwia rozwiązywanie ewentualnych problemów.

Niestety, w przypadku Mark34 nie dostajemy wszystkich zalet zestawu. Po pierwsze, dokumentacja jest bardzo uboga. Instrukcja montażu to internetowy album ze zdjęciami kolejnych etapów, w niektórych miejscach skrótowy i niejasny. Trudno też znaleźć alternatywne źródła, bo konstrukcja jest bardzo mało popularna. Internet jest pełen odpowiedzi na każde pytanie o popularne modele RepRapów, ale o Mark34 i w ogóle drukarkach z mechaniką h-bot jest bardzo mało informacji.

Po drugie, zestaw nie jest unormowany. W pudle, które otrzymaliśmy, wiele części było innych niż w fotoinstrukcji. Silniki krokowe pochodzą z demontażu: można otrzymać cztery różne silniki, w dodatku nieznanej produkcji i bez dokumentacji. Niektóre drukowane elementy zostały zmienione na ulepszone wersje, ale instrukcja przedstawia starszy model. Również sterowniki silników krokowych to starszy, już niestosowany i pozbawiony dokumentacji model. Nasz zestaw wymagał drobnych modyfikacji, żeby w ogóle dało się go złożyć, a jednym z pierwszych wydruków będzie adapter dostosowujący konstrukcję do innego modelu silnika krokowego osi Z.

Na szczęście elektronika sterująca, sterowniki silników i inne podzespoły są stosunkowo uniwersalne i na tyle powszechnie wykorzystywane w konstrukcji RepRapów, że łatwo je samemu zmienić na inne. Podobnie drukowane elementy można przeprojektować, by wyprodukować własne wersje.

Zobacz ten film w rozdzielczości 4K

Proces montażu Mark34 zajął nam około 4 popołudni spędzonych z zakasanymi rękawami i drugie tyle na lekturę źródeł i przetrawianie informacji. Sterownik już jest zaprogramowany, więc nie jest wymagana kalibracja, ale kilka pierwszych wydruków trzeba potraktować jako testowe: na pewno pojawi się parę problemów do rozwiązania, zanim urządzenie zacznie wiernie odwzorowywać model. Warto też przygotować się na konieczność wgrania na nowo wewnętrznego oprogramowania, bo małe zwarcie na płycie z elektroniką często kończy się „amnezją” mikrokontrolera.

Wybór oprogramowania pozostawiono użytkownikowi; producent dostarcza tylko zestaw ustawień do slicera Slic3r. Każdy zestaw narzędzi kompatybilny z wewnętrznym oprogramowaniem MARLIN powinien nadawać się do Mark34, ale w praktyce niektóre slicery sprawiają problemy w połączeniu z kinematyką h-bot. Osiągnęliśmy zadowalające rezultaty z Repetier-Hostem, Slic3rem, KISSlicerem i „kombajnem” Cura.

Użytkowanie sprzętu bez komputera jest łatwe; wystarczy mieć przygotowany dla drukarki plik GCODE na karcie pamięci mikro-SD. Drukowanie z karty jest też nieco bezpieczniejsze, bo nie ryzykujemy, że jakaś awaria komputera albo automatyczna aktualizacja Windows przerwie proces.

Do testów dostarczył: Jelwek

Cena w dniu publikacji (z VAT): 1500 zł

Mark34 – budowa i galeria

Mark34 to konstrukcja zaprojektowana przez dwóch studentów, założycieli firmy Jelwek. Jest bardzo zwięźle zbudowana, pole robocze jest niewielkie: 140 mm × 160 mm × 105 mm. Stół roboczy nie jest podgrzewany, a wózek z głowicą został wydrukowany z PLA, co uniemożliwia drukowanie w wysokich temperaturach. Ogranicza to wybór materiałów do różnych wariantów PLA.

Sprzęt wyróżnia się na tle popularnych RepRapów układem mechanicznym. Głowica przesuwa się w osiach X i Y, napędzana dwoma silnikami krokowymi i jednym paskiem zębatym w układzie h-bot. To rozwiązanie, zaczerpnięte ze stołów kreślarskich, ma dużą zaletę: wszystkie silniki są nieruchome, przymocowane do ramy, a ciężar ruchomych elementów jest znacznie zmniejszony. Ma też wadę: rama drukarki jest podatna na deformację po przekątnej; na szczęście w tak małym polu roboczym i przy niewielkiej wadze wózka z głowicą nie wpływa to znacząco na jakość wydruków.

Zastosowano ekstruder z cięgnem Bowdena: silnik i tryb popychające filament są nieruchome, a filament jest wpychany do głowicy przez wąską teflonową rurkę. To utrudnia zmianę materiału, bo za każdym razem trzeba przeciągnąć przez ekstruder pół metra filamentu. Ekstruder tego typu jest w tej drukarce konieczny; pozwala na bardziej ażurową konstrukcję prowadnic i wózka z głowicą. Z drugiej strony ekstrudery Bowdena mniej precyzyjnie przekazują siłę na stopiony plastik w głowicy, bo filament ma lekki luz w teflonowej rurce. Dlatego w bardziej skomplikowanych drukarkach, szczególnie tych na filament o średnicy 3 mm, stosuje się najczęściej bezpośrednie ekstrudery.

Główną część konstrukcji stanowią płyty boczne, wycięte strumieniem wody z grubego aluminium. Są połączone prętami gwintowanymi, co tworzy bardzo solidny szkielet. Mocowanie osi Z trochę odstaje jakością od reszty konstrukcji, przez co trzeba kontrolować regularnie, czy stół roboczy nie przesunął się w dół i czy osada silnika osi Z jest mocno przykręcona. Sterownik drukarki jest odsłonięty, dzięki czemu jest do niego łatwy dostęp, ale mogą też spadać na niego odpady ze stołu roboczego.

Drukowanie bez komputera umożliwiają: czytnik kart SD, wyświetlacz i menu (po angielsku), obsługiwane pokrętłem z przodu. Sterownik obsługuje karty SD HC, foldery i polskie znaki w ścieżce pliku. Z kolei drukowanie z użyciem komputera wymaga zastosowania ściśle określonej procedury: najpierw trzeba uruchomić program sterujący, potem podłączyć kabel USB, a na końcu kabel zasilający 230 V.

W zaproponowanych przez producenta ustawieniach Slic3ra Mark34 jest raczej powolną drukarką, ale w miarę poznawania maszyny można sobie pozwolić na drukowanie z coraz większą prędkością. Możliwości urządzenia zależą w pewnym stopniu od tego, co dostaniemy w pudle, a jak wspomnieliśmy, silniki nie są unormowane.

Nasza maszyna po skalibrowaniu i ustawieniu prądu dla silników krokowych pobierała średnio zaledwie około 16 W w trakcie długiego drukowania.

Zmontowana: Pirx 1.0

Pirx 1.0 to najtańsza drukarka dostępna w zmontowanej, gotowej do pracy postaci. Jest dziełem polskiej firmy Pirx 3D. Drukarka jest dostarczana złożona, skalibrowana i z niewielką ilością filamentu PLA na początek. Pierwsze drukowanie można zacząć kilkanaście minut po otrzymaniu paczki.

Kupujący dostaje też instrukcję obsługi w formie cyfrowej – pocztą elektroniczną. Instrukcja jest lakoniczna, ale opisuje wszystkie podstawowe czynności. Trzeba też pobrać oprogramowanie. Producent zaleca darmowe narzędzia firm trzecich: KISSlicer do przygotowania modelu i Repetier-Host do sterowania drukarką. KISSlicer jest już skonfigurowany pod kątem tej drukarki.

Każdy pirx jest przed wysyłką kalibrowany i testowany, dostajemy zatem drukarkę z przygotowanym stołem roboczym i lekkimi śladami użytkowania. Warto samemu wypoziomować stół roboczy, bo wibracje podczas transportu mogły go rozregulować. Pirx drukuje tylko w połączeniu z komputerem, a program sterujący musi być uruchomiony przez cały czas drukowania. Jedynym oficjalnie obsługiwanym materiałem jest PLA, ale można drukować praktycznie wszystkim, co przyklei się do niepodgrzewanego stołu.

Oprogramowanie nie jest najłatwiejsze w użytku, a procedura może początkowo przytłaczać. Na szczęście uruchomienie pierwszego drukowania jest proste, a użytkownik z czasem doceni bogactwo opcji konfiguracyjnych.

Choć łatwo jest zacząć użytkowanie Pirxa, to aby otrzymać wydruk dobrej jakości, trzeba mimo wszystko zainteresować się konstrukcją drukarki, materiałem i specyfiką procesu. Najwięcej problemów może sprawić porządne przygotowanie stołu roboczego, szczególnie wtedy, gdy wydruk styka się na dużej powierzchni ze stołem.

Do testów dostarczył: Pirx

Cena w dniu publikacji (z VAT): 2500 zł

Pirx3D – budowa i galeria

Rzuca się w oczy podobieństwo do holenderskiego Ultimakera pierwszej generacji. Konstrukcja Pirxa jest wyraźnie oparta na otwartym projekcie tamtej drukarki.

Rama jest wykonana ze sklejki brzozowej, ale dzięki precyzyjnemu spasowaniu elementów sprawia profesjonalne wrażenie. Napęd w osiach X i Y jest przekazywany paskami, a stół roboczy przesuwa się w osi Z, napędzany śrubą trapezową, precyzyjniejszą od prętów gwintowanych z najtańszych RepRapów. To ta sama mechanika, którą stosuje się na przykład w drukarkach MakerBot.

Pirx ma jedną głowicę i bezpośredni ekstruder zamontowany na wózku. Ekstruder jest plastikowy, drukowany z ABS-u. Między popychaczem filamentu a głowicą jest okołocentymetrowa przerwa; nie mieliśmy problemów z ekstrudowaniem NinjaFlexu, ale bardziej elastyczne materiały mogą sprawiać kłopoty.

Przestrzeń robocza ma rozmiary 250 mm × 160 mm × 150 mm – mniej więcej tyle samo co w standardowej wielkości MakerBotach, ale mniej na głębokość i wysokość niż w Ultimakerze, do którego Pirx jest podobny. Stół roboczy jest wykonany z poliwęglanu, co sprawia, że jest lekki i łatwo w nim wyciąć otwory montażowe. Niestety, nie jest wytrzymały: łatwo go porysować, topi się też w zetknięciu z głowicą (co może się zdarzyć mimo dobrego wypoziomowania). Przydałaby się druga, szklana warstwa, jak w Mark34.

Z tyłu obudowy można zamontować dołączony uchwyt na szpulę z filamentem. Filament wprowadza się wtedy do ekstrudera przez rurkę jak w cięgnie Bowdena (która jednak nie pełni tu funkcji cięgna). Nasza szpula nie pasowała do uchwytu, ale dało się ją powiesić bokiem, co było całkowicie funkcjonalne, choć nieestetyczne.

Sterowanie zapewnia kontroler Pirx 3D, modyfikacja popularnego Printrboard. Choć Printrboard umożliwia drukowanie z pliku na karcie mikro-SD, twórcy Pirxa zrezygnowali z tej funkcji, żeby nie powiększać kosztu drukarki. W końcu do drukowania bez komputera niezbędny jest kontroler z wyświetlaczem LCD i przyciskami, choćby po to, żeby można było wybrać plik. Przydatny jest wyłącznik zasilania; szkoda jednak, że zasilacz nie jest zamontowany w środku – w dolnej komorze drukarki jest jeszcze dużo miejsca.

Producent poleca darmowe oprogramowanie firm trzecich: slicer KISSlicer, który jest dostarczany z plikami konfiguracyjnymi już przygotowanymi dla Pirxa, oraz host Repetier Host.

Pirx pobiera średnio 37 W podczas długiego drukowania. To oznacza, że wydrukowanie testowej wieży kosztowało zaledwie około 3 gr w energii i około 60 gr w materiale. Drukowaliśmy bez żadnych problemów filamentem PLA kupionym za 70 zł/kg w popularnej witrynie aukcyjnej. Pirx3D sprzedaje od niedawna sprawdzony, „zaaprobowany” filament po 100 zł/kg (90 zł/kg dla posiadaczy drukarki).

Full service – MakerBot Replicator 2X

MakerBot to firma, której nie mogło zabraknąć w naszym artykule. Cokolwiek by mówić o zaletach, wadach, cenie czy opłacalności jej drukarek, to ona wykreowała popularny wizerunek tych urządzeń. To MakerBot sprawił, że w świadomości wielu zainteresowanych drukarka 3D przestała wyglądać jak kłębowisko prętów i kabli, a zaczęła przypominać profesjonalną maszynę.

MakerBot oferuje pięć modeli „obecnej” generacji: Replicator Mini, Replicator 5. generacji, Replicator Z18, Replicator 2 i Replicator 2X. Iks na końcu nazwy oznacza model eksperymentalny; nie jest najbardziej zaawansowany technicznie, ale jako jedyny w ofercie MakerBota ma podgrzewany stół roboczy i drukuje z tworzywa ABS.

Replicatora 2X można kupić bezpośrednio za oceanem albo od polskiego dystrybutora. W obu przypadkach dostajemy ten sam zestaw, ale dystrybutor wyjmuje drukarki z pudeł i testuje je przed wysłaniem. Mamy też zapewnione krótkie darmowe szkolenie w razie odbioru osobistego. W pudle dołączono mały zestaw przydatnych narzędzi, szpulę filamentu (naturalny ABS), drukowaną instrukcję (nie ma wersji polskojęzycznej, ale ma się w niedługim czasie pojawić), zasilacz, kabel USB i pokrywę, która pozwala osłonić komorę roboczą od góry.

Jeśli drukarka była kupowana w Polsce, niepotrzebna jest żadna kalibracja: stół roboczy będzie wypoziomowany, a obie głowice – na tej samej wysokości. Tak, Replicator 2X ma dwie głowice, więc może drukować z dwóch materiałów w ramach jednego wydruku. To przydaje się do tworzenia dwukolorowych przedmiotów albo drukowania jednocześnie ABS-em i materiałem podporowym (HIPS).

Pierwsze drukowanie można zacząć parę minut po wyjęciu maszyny z pudełka, głównie dlatego, że stół roboczy nagrzewa się dość długo. Można jednak polecić drukarce rozgrzanie stołu i głowicy, używając przycisków i wyświetlacza, a w tym czasie przygotować model. Oprogramowanie Makerware jest bardzo proste i przystępne w użyciu. Możliwości konfiguracyjne są na początek wystarczające, ale z czasem może być potrzebna bardziej szczegółowa konfiguracja, a wtedy pozostaje edycja plików konfiguracyjnych. Makerware zapisuje g-kod we własnym formacie producenta, kompatybilnym tylko z tą drukarką. W trakcie drukowania wyświetlacz i host pokazują przewidywany czas zakończenia pracy.

Dzięki zamkniętej z czterech stron komorze roboczej i górnej osłonie (która zostawia tylko mały otwór na filament) Replicator 2X jest dość cichy, a zapach ABS nie przeszkadza osobom znajdującym się w tym samym pomieszczeniu.

Replicator 2X jest bardzo dopracowaną konstrukcją, ale pod profesjonalnie wyglądającą obudową, łatwym oprogramowaniem i niezłą funkcjonalnością kryje się maszyna niemal identyczna z Pirxem i innymi tanimi drukarkami. Nie jest ani dokładniejsza, ani mniej awaryjna. Co prawda producentem jest (stosunkowo) duża i (stosunkowo) doświadczona firma, której wielu zaufa bardziej niż lokalnym konstruktorom, ale to nieco większe zaufanie musi uzasadnić dużo większy wydatek, bo wszystkie modele MakerBot są niemal najdroższe w swoich kategoriach.

Do testów dostarczył: CadXpert

Cena w dniu publikacji (z VAT): ok. 14 500 zł

Replicator 2X – budowa i galeria

Replicator 2X ma stalową obudowę z bokami ze spienionego plastiku i pleksi. Metalowy szkielet ma podobną budowę jak drewniana rama Pirxa. Plastikowe ścianki osłaniają tylko trzy boki; na górze można postawić przezroczystą pokrywę, która pozostawia tylko niewielki otwór z tyłu na wprowadzenie filamentu.

Pokrywa jest bardzo użyteczna: zatrzymuje w środku powietrze ogrzane od stołu roboczego i drażniący zapach topionego ABS-u. Z tyłu zamontowano dwa uchwyty na szpule z filamentem, który podaje się do wnętrza maszyny przez teflonowe rurki.

Takie elementy konstrukcyjne, jak wózki osi X i Y oraz mocowanie stołu roboczego, wykonano z wtryskiwanego plastiku (co dowodzi, że nawet pionierom produkcja addytywna nie opłaca się na seryjną skalę). Stół porusza się w osi Z na dwóch wałkach stalowych, napędzany śrubą trapezową. Osie X i Y są napędzane paskami; cała mechanika jest niemal identyczna jak w Pirxie. Z tyłu zamontowano wyłącznik zasilania, gniazdo zasilania i port USB. Ze względu na moc stołu roboczego zasilacz to „cegła” o rozmiarach niespotykanych w laptopach.

Na wózku umieszczono dwie głowice i bezpośrednie ekstrudery, zapewniające jedną z najważniejszych funkcji 2X: drukowanie dwoma materiałami w obrębie jednego wydruku. Obie głowice muszą być na tym samym poziomie, co dodatkowo komplikuje poziomowanie stołu roboczego. Należy najpierw przesunąć jedną głowicę do góry, wypoziomować stół w odniesieniu do drugiej, a następnie wyrównać podniesioną głowicę. Obie mają taką samą funkcjonalność, więc nie ma znaczenia, która czym drukuje.

Przestrzeń robocza ma rozmiary 246 mm × 152 mm × 155 mm. Podgrzewany stół roboczy to gruba aluminiowa płyta, fabrycznie oklejona taśmą poliimidową (kaptonem). W pudle dostajemy kilka zapasowych arkuszy taśmy.

Poziomowanie stołu jest bardzo łatwe dzięki instrukcjom na wyświetlaczu, które prowadzą użytkownika przez cały proces.

Wyświetlacz i pięć przycisków do sterowania są bardzo wygodne. Menu (niestety, tylko po angielsku) pozwala rozpocząć drukowanie z karty SD (dołączono ją w zestawie) oraz wywołać różne procedury konserwacyjne albo procedurę zmiany filamentu. Replicator sygnalizuje koniec drukowania prostym sygnałem dźwiękowym. Bardzo wygodna jest też możliwość rozgrzania stołu roboczego na żądanie – w tym czasie można przygotować model.

Podgrzewany stół roboczy pobiera dużo więcej energii niż reszta drukarki: maszyna potrzebuje średnio niemal 200 W podczas długiego drukowania. Testowa wieża drukowana przez 90 minut kosztowała około 16 groszy w energii elektrycznej i około 1,5 zł w materiale (firmowy ABS MakerBot jest znacznie droższy od zwykłych).

Kiedy wszystko się uda...

...możemy cieszyć się niepowtarzalnym przedmiotem (chyba że to projekt z internetu bez żadnych przeróbek). Witryny sprzedawców drukarek są pełne imponujących zdjęć, więc nasze będą raczej naturalistyczne.

Wazy są szczególnie chętnie prezentowane: to stosunkowo łatwe do wykonania przedmioty, które dobrze się udają nawet mało dokładnym maszynom. Pozwalają pokazać dużą przestrzeń roboczą, ale drukują się szybko, bo są puste w środku.

Drukowanie klocków Lego okazało się trudnym testem. Płaski klocek styka się ze stołem roboczym małą powierzchnią i łatwo się odrywa podczas kurczenia. Do tego musi mieć bardzo precyzyjne wymiary, żeby dał się połączyć z oryginalnym. Nawet doświadczony operator Replicatora 2X otrzymał foremny, udany klocek dopiero po kilku próbach... ale nie był on kompatybilny z oryginalnym produktem. Z użyciem Pirxa udało nam się wydrukować kompatybilne klocki dopiero po kilku dalszych próbach, ale trzeba uczciwie przyznać, że z PLA łatwiej wykonać taki model.

Wydruki mają charakterystyczną prążkowaną powierzchnię. Przy grubości warstwy od 0,1 mm do 0,3 mm (standardowy zakres dla MakerBotów i Pirxa) prążki są wyczuwalne pod paznokciem. Wszystkimi trzema przedstawionymi drukarkami można drukować również cieńsze warstwy; przy 0,05 mm (50 mikronów) prążkowanie nadal jest widoczne, ale nie da się go już wyczuć dotykiem. Prążki bardziej rzucają się w oczy na skośnych powierzchniach, gdzie odległość między wypukłościami sąsiednich warstw jest powiększona.

Dolną i górną powierzchnię też da się łatwo odróżnić. Wydruki wykonane na stole roboczym pokrytym taśmą malarską mają od spodu widoczną fakturę papieru. Wydruki wykonane na gładkich powierzchniach (kapton) powinny być gładkie, jeśli stół jest dobrze wypoziomowany. Z kolei górne powierzchnie są najsłabszej jakości: bywają nierówne, a nawet dziurawe, jeśli wypełnienie nie dochodzi całkowicie do obrysu przedmiotu.

Wydruki z dwóch różnych materiałów mają wyczuwalne w dotyku nieciągłości tam, gdzie zaczyna się inny materiał. Można je częściowo wyeliminować, jeśli jedna warstwa zawiera elementy z obu materiałów, a granica między materiałami nie przebiega poziomo. Poza tym wytrzymałość mechaniczna nie cierpi na zmianie materiałów: słupek drogowy jest tak samo mocny jak jednokolorowy.

I kiedy coś idzie nie tak

Niezależnie od rodzaju i producenta drukarki prędzej czy później natrafimy na jakieś przeszkody. Jeśli maszyna jest naprawdę dobra, to będą to głównie problemy z uzyskaniem wydruku dobrej jakości. Nie ma od tego wyjątków: żadna konstrukcja nie jest na tyle „głupoodporna”, żeby odtworzyć każdy model, niezależnie od jego kształtu.

Najczęstszym problemem jest przyklejanie się wydruku do stołu roboczego. Pierwsza warstwa powinna się trzymać stołu na tyle mocno, by przedmiot się nie przesuwał, dopóki nie zostanie ukończony. Musi też trzymać się powierzchni tak mocno, żeby zachować swój kształt – inaczej stygnący plastik, kurcząc się, oderwie pierwsze warstwy.

Nie chcemy jednak, by przedmiot przywarł zbyt mocno: wtedy trudno go będzie oderwać od stołu roboczego po zakończeniu drukowania. Siłowe rozwiązanie może się skończyć zniszczeniem przedmiotu albo powierzchni stołu, którą będzie trzeba przygotować od nowa.

Szereg sztuczek pomaga w przygotowaniu stołu i wydruku. Drukujący z PLA pokrywają stół taśmą malarską, koniecznie niebieską (nie wierzycie – sami sprawdźcie; żółta po prostu nie działa), lakierem do włosów albo klejem w sztyfcie. Przy drukowaniu z ABS używa się stołów aluminiowych pokrytych taśmą poliimidową (kapton) albo szklanych; smaruje się je różnymi specyfikami, z „sokiem z ABS” na czele (roztwór ABS w acetonie). Można zwiększyć szanse na udany wydruk, stosując platformę (raft – kilka warstw plastiku pod przedmiotem) albo obrzeża, przeznaczone do usunięcia po zakończeniu drukowania. Tak czy inaczej, zanim użytkownik nabierze doświadczenia i będzie umiał przed rozpoczęciem pracy ocenić, jak należy przygotować model, na pewno wiele razy spotkają go takie oto przypadki:

Awaria maszyny

Kto nie utrzymuje czystości, nie konserwuje drukarki, ma bardzo kiepską maszynę czy po prostu pecha, tego spotka jakaś awaria sprzętu. Zapchane głowice, zdeformowane od gorąca wózki, zatarte łożyska, spalone silniki, luźne paski napędowe – z tym mogą się spotkać również użytkownicy drogich drukarek, takich jak różne modele MakerBotów. Jeśli drukarka jest RepRapem albo pochodnym modelem, popularnym i zbudowanym ze standardowych części, łatwo będzie znaleźć część zamienną lub poradnik wymiany tego czy owego. Jeśli drukarka jest objęta gwarancją, to albo odsyłamy ją całą, albo wymieniamy własnoręcznie część dostarczoną przez producenta. To drugie rozwiązanie stosują nawet największe tuzy rynku; trzeba jednak pamiętać, że w maszynie z gwarancją można wykonywać tylko zaaprobowane przez serwis prace.

Czym się różnią Mark34, Pirx i Replicator?

Przedstawiliśmy trzy drukarki, z których najtańsza jest prawie 10 razy tańsza od najdroższej. Skoro wszystkie stosują tę samą technikę druku, to czym tak naprawdę się różnią?

Jakość wydruku – podobna

Najlepszy możliwy wydruk z Mark34 jest równie gładki i równie trwały, jak ten sam model wydrukowany w Pirxie i Replicatorze. Model drukarki jest bardzo mało istotny dla jakości. Każda drukarka FFF, o ile jest dobrze złożona, dobrze skalibrowana i nie ma rażących wad konstrukcyjnych, drukuje tak samo. Minimalna grubość nakładanych warstw plastiku jest we wszystkich podobna i tak mała, że najwyższa jakość rzadko będzie wybierana, bo to ogromnie wydłuża czas drukowania. Rozdzielczość pozioma, czyli szerokość nakładanej ścieżki plastiku, również jest podobna we wszystkich drukarkach FFF (od 0,35 mm do 0,5 mm), a odwzorowanie detali będzie zależało bardziej od przygotowania modelu i jakości filamentu niż od użytej drukarki.

Prędkość drukowania – podobna

To kolejna rzecz, która zależy bardziej od ustawień niż wyboru maszyny. Testowy model szachowej wieży można wydrukować w 45 minut albo 3 godziny i wcale nie mamy pewności, że ten drukowany dłużej będzie wyglądał lepiej. Z kolei testowanie ustawień fabrycznych nie ma sensu, bo użytkownik i tak będzie zmuszony do ich zmiany w zależności od modelu albo filamentu. Oczywiście, solidniejszy, lepiej skalibrowany sprzęt można zmusić do tego, by pracował szybciej, bo duże przyspieszenia głowicy nie zmniejszą precyzji. Na przykład zalecane ustawienia Mark34 są o połowę wolniejsze niż w Pirxie, ale między Pirxem a Replicatorem 2X nie ma już znaczącej różnicy, a doświadczony operator może zdoła przyspieszyć nawet tanią drukarkę, nie rezygnując z jakości.

Funkcjonalność

Najtańsze urządzenia drukują tylko z najłatwiejszego materiału, PLA. Do drukowania z ABS i niektórych innych tworzyw konieczny jest podgrzewany stół roboczy, a czasem inna konstrukcja wózka głowicy i ekstrudera. To powiększa koszt i dodatkowo komplikuje producentowi obsługę techniczną. Najtańsze urządzenia drukujące z ABS kosztują od 3000 zł za zestaw (Profabb Gate) do 7500 zł za drukarkę (ZMorph). Drogie Replicator i Replicator 2 drukują tylko z PLA, dopiero model 2X ma podgrzewany stół roboczy.

Jak wspomnieliśmy w rozdziale o materiałach, PLA nadaje się bardzo dobrze do modelowania i prostych elementów konstrukcyjnych, ale ktoś, komu bardzo zależy na wytrzymałości mechanicznej i łatwej obróbce (szlifowanie, wiercenie), powinien wybrać ABS.

Drukowanie z karty pamięci lub pendrive'a, miejsce na zawieszenie szpuli z filamentem czy zamykana przestrzeń robocza to dodatki, które nie kosztują wiele, ale najczęściej spotykane są tylko w tych droższych urządzeniach.

Łatwość obsługi – diametralnie różna

Przyjazność dla użytkownika to pierwsza cecha, za którą dopłacamy, wybierając droższą drukarkę. Najmniej wydamy na zestaw do samodzielnego złożenia, samemu rozwiązując wszelkie problemy, które na pewno się pojawią podczas montażu i kalibracji. Także skutki ewentualnych awarii będą bardziej bolesne.

Wydając trochę więcej na tanią zmontowaną drukarkę, możemy uwolnić się od tych niedogodności. Zaczniemy drukować po 15 minutach od wyciągnięcia jej z pudełka. Będziemy skazani na uniwersalne, stosunkowo skomplikowane oprogramowanie, a w trakcie użytkowania czasem będzie trzeba się pogłowić nad modelem albo ustawieniami dla nowego filamentu.

W cenie Replicatora i podobnych mu drogich drukarek dostajemy produkt niemal tak łatwy w użytkowaniu jak zwykła drukarka do papieru – przynajmniej na początku. Taką maszynę można postawić w biurze i nie trzeba wyznaczać „eksperta” do jej obsługi; poradzi sobie z tym każdy, bo oprogramowanie jest bardzo intuicyjne i nie wymaga wiedzy o technice drukowania. Ale korzystając z Replicatora, napotkamy wiele takich samych problemów jak w przypadku najtańszych RepRapów, a drukowana instrukcja i oprogramowanie z dużymi ikonkami nie pomogą ich rozwiązać. Dłuższe użytkowanie i tak w końcu będzie wymagało, by poznać konstrukcję urządzenia i specyfikę procesu FFF.

Obsługa techniczna – diametralnie różna

Jak wspomnieliśmy, posiadacze RepRapów i pochodnych zestawów są zdani na siebie. Większość popularnych drukarek jest dobrze udokumentowana, a na forach dyskusyjnych i listach mejlingowych znajdziemy mnóstwo pomocnych ekspertów, ale i tak trzeba zakasać rękawy i rozwiązywać problemy samemu. Nabywca zestawu dostaje gwarancję na wszystkie części z osobna, ale nie na działanie całego sprzętu. Dopóki podzespoły sprawują się dobrze, za działanie drukarki odpowiedzialny jest tylko konstruktor.

Droższe drukarki sprzedawane w całości można też zareklamować w całości, ale to na ogół trwa stosunkowo długo. Czas oczekiwania rzędu dwóch i więcej tygodni nie jest niczym wyjątkowym, choć lokalni producenci czasem reagują bardzo szybko. Trzeba pamiętać, że tanie drukarki są produkowane przez małe firmy, które mają małe zasoby, i nie zawsze znajdzie się ktoś, kto właśnie teraz będzie mógł poświęcić czas, żeby pomóc rozwiązać jakiś drobny problem z wydrukiem. Na szczęście wszystkie te maszyny wywodzą się z jakiegoś open source'owego modelu, więc można skorzystać z wiedzy społeczności.

Bardzo drogie drukarki FFF są przygotowane w taki sposób i objęte taką obsługą techniczną, żeby nie powodowały dużych przestojów w pracy. Makerbot oferuje dość dobrą obsługę techniczną, choć z terytorium Stanów Zjednoczonych, więc kontakt telefoniczny jest utrudniony ze względu na różnicę czasu, a odsyłanie maszyny lub części za ocean trwa wieki. Pomoc można uzyskać od polskiego dystrybutora, który w cenie drukarki oferuje za darmo szkolenie, ale wymiana czy serwis części zawsze trwają długo. Dobrą (i szybką, bo lokalną) pomoc techniczną oferują też polscy producenci droższych drukarek, tacy jak Zortrax i Omni 3D. Trzeba wiedzieć, że często producenci zapewniają wysoką jakość i bezawaryjność, ograniczając funkcjonalność, na przykład oferując obsługę klienta tylko użytkownikom specjalnego, markowego filamentu (oczywiście, droższego od innych) albo oficjalnego oprogramowania, które nie jest tak elastyczne jak uniwersalne narzędzia.

Często zadawane pytania – albo dementowanie bzdur

Drukowany pistolet?

Popularna dziennikarska banialuka. Tak, można w drukarce 3D zrobić pistolet. Można z niego wystrzelić zabójczy pocisk. Ale co z tego?

Słynne wydrukowane pistolety można podzielić na trzy grupy. Pierwsza to tradycyjna metalowa broń, taka jak klon Colta 1911 wykonany przez firmę Solid Concepts. Taki pistolet jest gorszy (mniej trwały) i trudniejszy w produkcji (trzeba mieć bardzo drogą drukarkę SLS) od zwykłego Colta 1911 i nadaje się głównie do reklamowania usługi drukowania z metalu.

Do drugiej grupy należy wydrukowana dolna część komory zamkowej AR-15, która wzbudziła jakiś czas temu grozę „w internetach”. Chodzi o to, że w USA sprzedaż wspomnianej części jest kontrolowana, a resztę elementów karabinu można kupić bez zezwolenia. Rzeczywiście można taką część wydrukować na domowej drukarce 3D i nawet uda się kilkadziesiąt razy strzelić. Drukarka musi być, rzecz jasna, jedną z tych droższych i zapewniać precyzyjne odwzorowanie wymiarów. To samo można zrobić narzędziami ślusarskimi, tylko trzeba będzie ubrudzić sobie ręce.

Trzecia grupa to broń całkowicie plastikowa, wydrukowana w całości na drukarce 3D. Pistolet Liberator (projekt dostępny w sieci) zawiera jedną niewydrukowaną, metalową część: gwóźdź pełniący rolę iglicy. Niektóre takie pistolety potrafią nawet kilka razy wystrzelić, zanim eksplozje całkiem zniszczą materiał. I znów: trzeba mieć drukarkę i doskonale opanować jej użycie, niezbędna jest też amunicja. Powstały jednostrzałowy samopał będzie niemal bezużyteczny w porównaniu z bronią wykonaną metodami ślusarskimi. Ma tylko jedną zaletę: ze względu na bardzo małą ilość metalu trudno go wykryć wykrywaczem metalu. Na pokład samolotu i tak nie uda się z nim wejść (skanery lotniskowe widzą nie tylko metale)...

Wytwarzanie broni w drukarce 3D jest jak dotąd tylko medialnym straszakiem. Powstałe pistolety wzbudziłyby falę śmiechu wśród konspiracyjnych ślusarzy i rusznikarzy, którzy w państwie policyjnym w tajemnicy przed okupantem produkowali pistolety maszynowe Sten czy Błyskawica, korzystając z niereglamentowanych materiałów i narzędzi.

Drukowane buty i samochody

Inną często wymienianą ciekawostką są buty z drukarki 3D. Z pozoru to atrakcyjna rzecz: buty mają jaskrawe kolory, futurystyczny wygląd, no i można zrobić tak, by nie dało się zobaczyć na ulicy drugich takich samych. Również koszt jednostkowy takiego buta w materiale i energii jest bardzo niski.

Ale kto chciałby chodzić w butach zrobionych w całości z plastiku? Pół biedy, jeśli będzie to elastyczny plastik, ale pojawiają się wizjonerki mody drukujące damskie pantofelki ze sztywnego ABS-u. Ile osób ma czas i umiejętności potrzebne, żeby nadać projektowi indywidualny rys, albo wręcz dopasować go do swojej stopy? Zresztą w przestrzeni roboczej typowej domowej drukarki zmieści się najwyżej rozmiar dziecięcy, takie buty będą znacznie mniej trwałe od tradycyjnych, a w koszt produkcji trzeba wliczyć wydatek na sprzęt, ponadto w trakcie wielogodzinnego drukowania buta nie wytworzymy bardziej przydatnych rzeczy.

Podobnie jest z drukowaniem elementów samochodów. Niedawno donoszono o supersamochodzie Koenigsegg Agera One:1, w którym wykorzystano elementy z drukarki 3D. Tej techniki użyto głównie na etapie projektowania i testowania, bo pozwalała szybko przygotowywać kolejne wersje prototypów. W produkcyjnych autach też będzie kilka drukowanych części, ale opłaca się to tylko ze względu na bardzo ograniczoną skalę produkcji – powstaje tylko sześć sztuk! Gdyby One:1 wytwarzano w większych ilościach, bardziej by się opłacało wykonać wszystko tradycyjnymi metodami. Użyteczność produkcji addytywnej jest w tej branży ograniczona do prototypowania i przedsięwzięć hobbystycznych (np. odtwarzania niedostępnych części zabytkowych aut).

Czy druk 3D pomaga w recyklowaniu plastiku?

Drukowanie z termoplastików wielu uważa za dobry pomysł na wykorzystanie termoplastikowych odpadów. Skoro taki materiał można formować wielokrotnie, to dlaczego by nie przekształcić zepsutej albo niepotrzebnej rzeczy w inną?

Problem w tym, że dzisiejsze drukarki 3D są bardzo wymagające, jeśli chodzi o jakość materiału. Przemysłowy recykling to skomplikowany, ściśle kontrolowany proces, a i tak tylko niewielka część odpadów nadaje się do ponownego przetworzenia. Wyprodukowanie dobrej jakości filamentu w warunkach domowych jest bardzo trudne. Poza tym przetwórstwo przemysłowe ma wielką przewagę: korzyści skali. Przetwarzanie plastiku w wielu miejscach na małą skalę byłoby wielkim marnotrawstwem energii i czasu.

W handlu pojawiło się jak dotąd jedno urządzenie do produkcji filamentu na domową skalę: Filabot. Służy głównie do produkcji filamentu z czystego surowca w postaci granulek, który jest znacznie tańszy w handlu hurtowym. Towarzyszące urządzenie Filabot Reclaimer pozwala rozdrobnić nieudane wydruki i przedmioty wykonane z ABS, PLA lub HIPS i użyć ich zamiast granulek. Podobny jest Recyclebot, dostępny w postaci projektu do samodzielnego wykonania. Domowa produkcja filamentu to na razie działalność jeszcze bardziej ekspercka niż drukowanie, a konieczny wkład pracy i wiedzy często niweluje oszczędności.

Drukarka 3D w każdym domu?

Mimo całego entuzjazmu dla tej techniki nie przypuszczamy, żeby w bliskiej ani dalekiej przyszłości drukarki 3D trafiły choćby do co drugiego domu. Sama jej specyfika działa przeciwko jej upowszechnieniu. Druk 3D jest wygodną i opłacalną metodą wykonywania prototypów albo pojedynczych, najlepiej niepowtarzalnych przedmiotów. Jest wygodny wtedy, kiedy przygotowanie trójwymiarowego modelu nie jest dużym problemem albo i tak jest konieczne, niezależnie od metody produkcji. Przeciętnej rodziny to nie dotyczy. Mało kto potrafi sam wykonać model przedmiotu użytkowego, na przykład części zamiennej do innego urządzenia. Z pomocą przychodzą internetowe magazyny gotowych projektów, takie jak Thingiverse albo Threeding, ale korzystanie z nich niweluje ważną zaletę druku 3D: możliwość dostosowania obiektu do konkretnej potrzeby lub niepowtarzalność. Niewiele projektów daje się łatwo przerobić, a do większych przeróbek trzeba mieć większe umiejętności. Powraca też problem korzyści skali: jeśli tysiące osób miałyby wydrukować ten sam projekt, to bardziej opłacałoby się zrobić to metodą przemysłową.

Wydaje się, że branża druku 3D zmierza w kierunku gęstej sieci punktów usługowych: nie trzeba samemu mieć drukarki, wystarczy znać kogoś, kto ma. W kilku dużych miastach w Polsce są już kluboprzedsiębiorstwa, gdzie można tanio wydrukować swój projekt na hobbystycznej maszynie. Tak zwane fab-laby są atrakcyjną perspektywą dla hobbystów, którzy chcieliby wykorzystać możliwości druku 3D, ale nie chcą inwestować czasu i wysiłku w poznanie techniki, która ma tylko wspomagać ich główne zainteresowanie.

Drukowane organy i tkanki

To jedno z najciekawszych zastosowań druku 3D. Organizmy żywe same produkują się addytywnie: począwszy od jednej komórki dodają materiał, i tak do końca życia. Naśladowanie prawdziwego organizmu wydaje się najrozsądniejszym sposobem na wytworzenie „części zamiennych” do niego.

Dotychczasowe próby drukowania tkanek polegały na wyprodukowaniu z cukru albo jakichś białek przestrzennej struktury pełniącej funkcję rusztowania, na którym następnie wzrastają komórki. Próbowano też drukować komórkami zawieszonymi w żelu pożywce. W obu przypadkach tworzenie przestrzennej struktury to tylko jeden z wielu etapów; komórki muszą potem naturalnie wzrastać, trzeba je też skądś pobrać. W powszechniejszym zastosowaniu tej techniki przeszkadzają trudności w hodowli komórek, a nie w układaniu ich w pożądany kształt. Jak to bywa z wieloma eksperymentalnymi technikami w biologii i medycynie, do praktycznego wykorzystania daleko. Jeszcze długo nie zobaczymy powstającej w kilka minut dziewczyny, jak w Piątym elemencie Luca Bessona.

Czy druk 3D pomoże podbić kosmos?

Nie bardziej niż śrubokręt albo łyżka. Główną przyczyną, dla której nie latamy regularnie na Marsa albo Księżyc, jest prymitywny system transportu, wykorzystujący rakiety. Największą przeszkodą w zamieszkaniu poza Ziemią są niesprzyjające warunki i nie chodzi o takie banały, jak skład atmosfery albo brak roślinności. Drukarki 3D nie rozwiązują żadnego z tych problemów. Owszem, pomagają w wytwarzaniu sprzętu do lotów kosmicznych, na przykład SpaceX drukuje z metalu komory spalania silników rakietowych do statku Dragon V2. Ale to po prostu ułatwienie w produkcji – to samo można było robić od lat innymi metodami, co najwyżej nieco droższymi albo trudniejszymi.

Umieszczenie drukarki 3D na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i inne badania, o których czasem przebąkują media, służą tylko przygotowaniu na moment, w którym nauka pokona wymienione wyżej problemy. Po prostu przewidujemy, że kiedyś będzie trzeba wyprodukować coś poza Ziemią, dlatego teraz prowadzi się badania nad zaadaptowaniem do warunków zero-G nie tylko druku 3D, ale również bardziej tradycyjnych technik produkcji.

Bliskim zagadnieniem jest konstrukcja sond von Neumanna, których samoczynna replikacja może się kojarzyć z replikacją RepRapów. Takie sondy mogą wykorzystywać addytywną fabrykację. Najrozsądniejszym wariantem vona^* wydaje się kompilator materii w statku kosmicznym, ale chyba lepsza byłaby mała kolonia von Neumanna złożona z wielu robotów i dysponująca różnymi technikami produkcji.

^* von – nazwa zaproponowana przez Petera Wattsa w opowiadaniu The Island

Drukowanie 3D nie dla każdego

Druk 3D to wspaniałe narzędzie, jeden z donioślejszych wynalazków ostatnich dekad. Podchwycenie tej techniki przez społeczność makerów i zwolenników Open Source Hardware to jedna z najlepszych rzeczy, jakie mogły się przydarzyć. Dziedzina rozwija się błyskawicznie, a witryny finansowania społecznościowego są pełne nowych konstrukcji. Druk 3D ma wszystkie znamiona rozwijającej się gałęzi przemysłu; do tych znamion należy, niestety, cała masa problemów.

Hobbyści już dawno pokochali druk 3D. Ktoś, kto zabiera się za zdalnie sterowany samolot, budowę robota albo akcesoriów do obudowy PC, już pogodził się z koniecznością ubrudzenia sobie rąk. W wielu przypadkach korzyść z druku 3D znacznie przeważa nad problemami. Można znikomym kosztem wykonać kolejne wersje nieudanego modelu albo części konstrukcyjnej i nie trzeba się już ograniczać do dostępnych w handlu elementów.

Miłośnicy robotyki i elektroniki często są bardziej zainteresowani samą drukarką niż jej produktami. Możliwość wytężenia umysłu przy konstruowaniu własnej maszyny przyciągnie wielu. Przy tym budowa użytecznego narzędzia może być atrakcyjniejszym zajęciem od budowy gadżetu takiego, jak kwadrokopter albo heksapod. Można też zacząć od skompletowanego zestawu i z czasem go ulepszyć, bo drukarki 3D aż się proszą o własnoręczne przeróbki.

Artyści i profesjonaliści z branży architektury czy wzornictwa również docenią druk 3D. Wielu z nich może sobie pozwolić na drogą drukarkę z profesjonalną obsługą techniczną. Nie będą musieli walczyć z tworzywem, a korzyści z szybkiego prototypowania mogą szybko zwrócić koszt drukarki.

Brakuje tylko przekonującego zastosowania dla domu. Obecne drukarki są po prostu zbyt trudne i skomplikowane w użytkowaniu, żeby przydały się w przeciętnym gospodarstwie domowym. Badania pokazują, że inwestycja w tanią drukarkę zwróci się w ciągu roku, jeśli drukowane będą przedmioty domowego użytku i części zamienne do zepsutych urządzeń. Niestety, w tym wyliczeniu nie uwzględniono wysiłku i czasu, jaki trzeba poświęcić, żeby móc wydrukować kolanko do zlewu czy końcówkę rury do odkurzacza.

Na początku trzeba mieć pomysł na przedmiot i to jest często najtrudniejszym etapem drukowania trójwymiarowego. Cywilizacja przemysłowa dość dobrze zaspokaja nasze potrzeby: większość przedmiotów, które moglibyśmy wydrukować, wyprodukowano już tradycyjnymi metodami i dostarczono na półki sklepów. W wielu gospodarstwach domowych w ogóle nie pojawi się potrzeba unikatowego przedmiotu. A jeśli nawet się pojawi, to na tyle rzadko, że inwestycja w drukarkę i zestaw umiejętności potrzebnych do jej obsługi będzie nieuzasadniona. Znacznie lepszą perspektywą będzie skorzystanie z gęstej sieci „fab-labów”, o charakterze komercyjnym albo koleżeńskim, w których raz na jakiś czas będzie można coś sobie wydrukować. Kiedyś chodziło się do kolegi, który miał internet albo nagrywarkę CD; może niedługo podobnie będzie z drukarkami 3D.

Produkcja addytywna może trafić pod strzechy, ale trzeba jeszcze pokonać dużo trudności technicznych. Największym niedostatkiem jest brak łatwego w użyciu, ale precyzyjnego oprogramowania do modelowania 3D. Mnóstwo ludzi potrafi wyczerpująco opisać przedmiot za pomocą rysunku i kilku wymiarów. Oprogramowanie powinno zacząć rozumieć takie proste opisy i samo dostosowywać parametry druku do załadowanego modelu.

Procedura musi stać się tak łatwa, żeby – jak we wspomnianej książce Diamentowy wiek – umiało ją wykonać kilkuletnie dziecko. Kiedy drukarki 3D będą tak łatwe w użyciu, a do tego albo bardzo tanie, albo bardzo niezawodne, wtedy produkcja addytywna naprawdę trafi pod strzechy.