Zlatne ruke 3D štampača
Na pragu smo doba u kome ćemo moći da odštampamo gotovo sve što poželimo – od cipela za večernji izlazak, preko igračaka i alata, do vatrenog oružja. Koliko ima istine u najavama da će nam 3D štampači doneti novu industrijsku revoluciju?
Posle neočekivano burnog razvoja kompjutera, približili smo se granici razvoja digitalne tehnologije. Nema više novih procesora od kojih je, kao nekada, svaki bar trostruko brži od svog prethodnika. Nove video jedinice tek umereno se razlikuju od prethodne generacije, superkompjuteri i veštačka inteligencija su značajno usporili, a proizvođači monitora se razmeću stereoskopskom 3D tehnologijom pronađenom još 1838. godine. Već punu deceniju se kompjuterska industrija oslanjala na prepakivanje stare tehnologije u nova kućišta, pa smo imali sve manje laptopove, palmtopove i tablete. Ništa od svega toga nije bilo suštinski novo, tako da su se korisnici već umorili od menjanja boja i maski na svojim „pametnim“ telefonima.
A onda se dogodilo čudo i pojavili su se 3D štampači, koji su najavili novu paradigmu u digitalnom dobu. Rezultat rada kompjutera više ne mora da bude samo otisak nečije mašte u virtuelnom prostoru, koji će nestati sa isključenjem. Sada je to predmet koji možete da opipate, koji ima svoju težinu i koji se, nakon izlaska iz štampača, praktično ne razlikuje od nečega što je napravljeno na konvencionalan način, uz puno ručnog ili mašinskog rada.
Na prvi pogled bi se reklo da u 3D štampanju nema ničega epohalnog – dovodi se materijal u tečnom, praškastom ili istopljenom stanju i onda se, jedan po jedan voxel (složenica od reči volume i pixel), nekako adresiraju željene tačke, tako da materijal na željenim mestima očvrsne. Slično postupku kojim matrični 2D štampač crta piksel po piksel na papiru, nova generacija štampača stvara objekat u tri dimenzije, voksel po voksel. Kako to?
Kako radi 3D štampač?
Iako ne rade svi 3D štampači na isti način, jedno im je zajedničko: za razliku od subtraktivnih mašina (strugovi, bušilice, testere), koje od velikog komada materijala oduzimaju višak, 3D štampači su aditivni: oni polaze „ni od čega“ i proizvod stvaraju tako što dodaju materijal tačku po tačku, ili barem liniju po liniju. Taj materijal može da bude rastopljena plastična masa, koja se pomoću ekstrudera selektivno polaže po X osi. Kad se jedna linija završi, glava dispenzera se vraća, pomera se za jedan voksel po Y osi, pa se postupak ponavlja u krug. Nakon završetka jednog horizontalnog sloja, započeti objekat se spušta za jedan voksel i sve se ponavlja sa narednom Z koordinatom.
Objekat se, dakle, gradi od slojeva rastopljene plastične mase, koja se odmah hladi i očvšćava. Obično se koristi ABS ili biorazgradiva PLA plastika u obliku niti koja se mehanički dovodi do mesta topljenja u pokretnom ekstruderu 3D štampača. Zajedno s materijalom za gradnju objekta dovodi se i materijal za privremenu popunu praznih delova objekta, koji se po završetku posla odstranjuje hemijski, potapanjem u hlorovodoničnu kiselinu. Ovim je omogućeno štampanje oblika koji bi inače bili neizvodljivi – zamislite, recimo, kako bi štampač napravio figuru čoveka sa spuštenim rukama, jer bi tokom izrade „odozdo na gore“ šake visile u vazduhu (pošto ruke još uvek nisu odštampane) i svaki sledeći sloj bi pao na podlogu. Osim plastike, može da se koristi niz drugih materijala, kao što je guma, sintetički kamen pa čak i hrana, tako da možete da odštampate tortu željenog oblika sa ukrasima od čokolade i karamela. Postoje i džinovski 3D štampači koji grade kuće od specijalnog betona.
Naziv ove tehnologije je FDM (Fused Deposition Modelling, modeliranje fuzionim taloženjem). To je najjednostavnija kategorija 3D štampača, a cena im se kreće od nekoliko stotina do nekoliko hiljada evra. Skuplji modeli su oklopljeni komorom u kojoj se održava konstantna temperatura, čime se postiže željena brzina hlađenja što neutrališe mehanička naprezanja, pa je proces štampanja precizniji a objekat čvršći. Veličina jednog voksela je u opsegu od 75 mikrometara, pa do više od jednog milimetra.
Napredniji postupci
Kvalitetniji rezultati se postižu printerima koji rade na principu lepljenja praškastog materijala, ali njihove cene iznose i po nekoliko desetina hiljada evra. I ovde postoji širok izbor materijala, a najčešći je kompozitni materijal koji liči na gips i koji se vezuje lepkom raspršenim iz dispenzera, kao kod ink‑jet štampača. Ovaj postupak nosi naziv binder jetting (ne postoji dobar prevod, ali je najpribližniji vezivanje prskanjem). Neki modeli imaju glavu sa pet brizgaljki, pa se kroz jednu raspršuje lepak, a kroz preostale četiri boje iz CMYK modela, čime se dobija obojen 3D proizvod, u rezoluciji 300‑600 dpi. Čitav proces se odvija u komori praškastog materijala koji se sukcesivno doprema dozatorom.
Veliko je zadovoljstvo držati u ruci i gledati ljudske figure snimljene 3D skenerom i odštampane na ovaj neobični način, jer je realističnost impresivna. Najbolji sistemi za skeniranje sastoje se od oko 60 digitalnih foto‑aparata i bliceva postavljenih po unutrašnjim zidovima kružne prostorije, i softvera koji od tako načinjenog kompozitnog snimka pravi 3D objekat u boji, spreman za 3D štampanje.
Osim materijala na bazi gipsa, koriste se i drugi praškasti materijali pa i metal. Mada ovde postoji i lepak koji spaja čestice metala, postupak štampanja je kombinovan sa složenom termičkom obradom, pa u završnom proizvodu postoji više od 99,9 procenata čistog metala. Cene ovakvih štampača su šestocifrene, a mogu da budu i astronomske kod velikih modela kojima može da se „odštampa“ čitav automobil.
ultraljubičaste svetlosti
Postoji i metoda koja je u svemu slična opisanoj, samo što umesto lepka koristi laserski zrak koji spaja metalni prah u kompaktnu masu, i koja nosi naziv SLS (Selective Laser Sintering, selektivno lasersko sinterovanje). Još jedan korak dalje predstavlja takozvana SLM metoda (Selective Laser Melting, selektivno lasersko topljenje), koja laserom veće snage topi granule materijala.
Polimeri i UV svetlost
Osim 3D printera koji brizgaju, lepe, tope i sinteruju, postoje i takvi koji koriste polimere koji očvršćuju pod dejstvomm ultraljubičaste svetlosti. Ovaj postupak, pod nazivom stereolitografija, najstariji je od svih opisanih, jer je prvi 3D printer koji radi na tom principu patentitan još davne 1984. godine. Printeri koji rade na ovom principu nose naziv SLA (stereolithography apparatus).
U kadi sa tečnim polimerom postoji platforma, koja je potopljena tako da se njen vrh nalazi tik ispod površine polimera. Laserski zrak skenira površinu odozgo i tečnost brzo očvršćava tamo gde je pogođena zrakom. Kada je jedan horizontalni sloj završen, platforma se spušta za jedan voksel i postupak se ponavlja. Proizvodi se i sličan trodimenzionalni printer koji umesto laserskog zraka koristi UV projektor, čime odjednom osvetljava celu površinu.
Postoji i kombinacija litografskog i FDM postupka, u kome se tanak mlaz tečnog polimera dovodi pokretnom glavom kao kod FDM printera, a onda se laserskim zrakom dovodi u čvrsto stanje. Ovakvi 3D printeri imaju tu prednost da omogućavaju štampanje velikog broja (čak i do 120) voksela odjednom, pri čemu bi svi teoretski mogli da budu od različitih materijala – guma, plastika, providni materijal i tako dalje. U videu proizvođača, demonstrirano je štampanje celih naočara sa staklima. Svi litografski postupci daju vrlo fine objekte, sa velikom preciznošću i vokselom veličine oko 60 mikrometara, što je oko 420 DPI.
Bioprinting
Mada tehnologija 3D štampanja živog tkiva nije za široko tržište, zanimljivo je znati kakve su mogućnosti i dokle se danas stiglo. Treba odmah reći da bioprinting ne podrazumeva izgradnju živih ćelija, nego samo njihovo uzimanje s nekog drugog mesta, eventualno razmnožavanje van organizma i pravljenje organa za zamenu. Pošto se uzorci ćelija za razmnožavanje uzimaju sa iste osobe koja će biti primalac, velike su šanse da će organizam prihvatiti takav organ. Ćelije našeg organizma su približno iste veličine kao kapljice ink‑jet štampača, pa se u bioprintingu koriste obične glave komercijalnih ink‑jet‑ova.
Kod štampanja živih organa, dovoljno je grubo postaviti ćeliju na željeno mesto, a ostalo će učiniti priroda i ćelija će sama naći svoje preciznu poziciju i „upoznati se“ sa okolnim ćelijama. Kod pravljenja krvnih sudova, recimo, meke mišićne ćelije se same kreću ka centru zida krvnog suda, fibroblasti zauzimaju poziciju na spoljnoj strani, a endotelijalne ćelije već „znaju“ da im je mesto na unutrašnjoj. Slično vezivnom materijalu u opisanom FDM postupku, ovde se koristi kolagen ili neki sličan materijal, a posle „rasta“ organa, tkivo ga samo eliminiše ili se ukloni na neki drugi način.
Na nekoliko mesta u svetu se radi na ovakvom „štampanju“ organa i već postoje značajni uspesi u eksperimentima na životinjama, a nedavno je i prvi čovek dobio svoj odštampan krvni sud. Očekuje se da prvi odštampani organ bude bubreg, jer je najjednostavniji. Smatra se da će najveći napredak biti ostvaren kad bude odštampano i uspešno zamenjeno ljudsko srce.
Štampanje ljudskih organa za zamenu nije jednini cilj bioprintinga. Velika su očekivanja i od pravljenja živih ljudskih tkiva za eksperimentisanje s novim lekovima, jer taj način ne dolazi u sukob sa etičkim i pravnim principima, a nudi mnogo bolji način ispitivanja nego na dobrovoljcima ili životinjama.
Problemi i nedostaci
3D printeri nisu nova tema, ali je u razvoju digitalne tehnologije tek sada nastao pravi trenutak za ubrzani razvoj i širu primenu. Postoji, ipak, nekoliko nerešenih problema koji će usporiti širenje ove tehnologije i odložiti trenutak u kome će hiperprodukcija oboriti cene dovoljno da svaki pojedinac može da ima 3D printer u svom domu.
Prvi nerešen problem je brzina rada. Vreme potrebno za štampanje malog objekta meri se satima, a objekta prosečnih dimenzija (dvadesetak centimetara) čak i desetinama sati, pa i danima. To svakako umanjuje početno oduševljenje koje nas je navelo na to da pomislimo kako ćemo odmah moći da odštampamo sve što nam zatreba.
Drugi problem je neophodnost upotrebe kvalitetnih fajlova u kojima su definisani 3D objekti. Svakako će ih vremenom biti sve više na Internetu, ali je pitanje koliko će biti skupi oni koji su kvalitetni, i šta ćemo moći da dobijemo od besplatnih. Naravno da će biti i programa koji će nam omogućiti da pravimo i svoje objekte, ali isto važi i za muziku, likovna i video dela, pa opet nemamo mnogo ljudi spremnih da uposle svoju kreativnost. Postojeće CNC mašine nude mogućnosti kao 3D printeri i mnogi su pohitali da ih kupe, a onda su se suočili s nedostatkom ideja, pa većina novih vlasnika nije odmakla dalje od ideje da prave i prodaju crkvene ikone.
Još jedan nedostatak je taj da je posle svakog štampanja potrebno ručno doraditi 3D objekat, jer su ivice neravne i uvek ima sitnih grešaka, uzrokovanih prirodnim ćudima sintetičkih materijala. Pojava koju smo pod nazivom aliasing već upoznali kod matričnih monitora (a danas su praktično svi matrični) i koja se pokazuje kao „stepenice“ na kosim linijama, ovde je posebno primetna, jer se pod prstima oseća čak i najmanja neravnina i nesavršenost. Kod video‑jedinica ona je rešena (ili barem ublažena) anti‑aliasing postupkom, u kome se neki kritični pikseli dozirano „zamućuju“ kombinacijom boja dva susedna piksela, ali kod 3D objekata nema zamućenja – voksel ili postoji ili ne postoji.
Prvi opisani postupak (FDM), kojim se tope ABS ili PLA niti, za rezultat ima vidljive „stepenice“ čak i na horizontalnim i vertikalnim površinama, a ne samo na kosim. To nam pomaže da lako odredimo da je 3D objekat štampan FDM tehnologijom, jer će površina „zapevati“ kad prevučemo noktom preko nje. Protiv ovoga je jedini lek ručna obrada šmirglom i eventualno turpijom. Drugi postupak, sa praškastim materijalom (binder jetting) daje ravnije površine, ali je i ovde potrebna završna obrada. U tu svrhu se obično koriste komore za peskiranje, koje rešavaju problem neravnina.
Neki od savršenijih 3D štampača stvaraju objekte sa veoma finim površinama, ali su njihove cene takve da ćemo verovatno još dugo čekati na njihovu masovnu primenu. To ne važi samo za uređaje nego i za repromaterijal, čije učešće u troškovima nije nimalo zanemarljivo. Ipak, hiperprodukcija nije još uvek počela i treba je očekivati uskoro, a kakav je uticaj hiperprodukcije na cenu proizvoda videli smo u poslednjih nekoliko decenija, tokom prodora kompjutera i prateće opreme na široko tržište.
Naravno da svaka tehnologija ima svojih nedostataka, a ovi koji su nabrojani nikako ne treba da nas odbiju od korišćenja 3D štampača. Postoji bezbroj primena u kojima će ovi uređaji itekako opravdati investiciju, ne samo u opremu i repromaterijal, nego i u vreme i trud koji su neophodni da vešto primenimo mogućnosti koje nam se nude.
3D štampači kod nas
3D printeri dostupni su i na našem tržištu! Domaća firma Jet Direct je zastupnik vodeće svetske kompanije 3D Systems. Na raspolaganju su 3D printer CubePro koji koristi FDM postupak (topljenjem ABS ili PLA niti), kao i 3D printeri serije Projet x60 koji koriste postupak binder jetting, sa prahom. Pored savetovanja prilikom kupovine štampača Jet Direct će vas redovno snabdevati repromaterijalom i pružati redovnu podršku tokom eksploatacije 3D printera.
Voja Antonić
(Odštampano u časopisu PC#218)
