Predchodcovia
3D tlač sa oficiálne neobjavila až do konca dvadsiateho storočia, ale niektoré myšlienky, ktoré za ňou stoja, boli známe už oveľa skôr. V roku 1859 predstavil francúzsky umelecký fotograf François Willeme prvú technológiu „3D skenovania“ na svete pomocou 24 kamier, ktoré využil na simultánne fotografovanie objektov z rôznych uhlov. O niekoľko rokov neskôr v roku 1892 získal vynálezca Joseph E. Blanther patent na spôsob vytvárania 3D topografických máp pomocou metódy vrstvenia, podobnej koncepcii ako dnešné 3D tlačiarne. Obidvaja naznačili smer, ktorý dozrel až v nasledujúcom období.
1981 – 1999: Detský vek aditívnej výroby
V roku 1981 publikoval Hideo Kodama z Nagoya Municipal Industrial Research Institute svoj príspevok o funkčnom systéme rýchleho prototypovania s použitím fotopolymérov. Pevný, vytlačený model bol vytvorený vo vrstvách, z ktorých každá zodpovedala priečnemu rezu v modeli. Znie vám to povedome? Bohužiaľ, metóda tohto japonského vedca nebola nikdy ďalej rozvíjaná. Vzhľadom na problémy s financovaním nedokázal tento proces dokončiť pred stanoveným ročným termínom na získanie ďalších prostriedkov. Myšlienka „rýchleho prototypovania“ sa však naďalej rozvíjala.
Ďalší odborníci, ktorí sa tejto téme venovali, boli Jean-Claude André, Olivier de Witte a Alain le Méhauté. V 80. rokoch minulého storočia pracoval A. le Méhauté v spoločnosti Alcatel, ktorá skúmala diely fraktálnej geometrie. Často sa hádal so svojimi kolegami, pretože si mysleli, že jeho myslenie je scestné. Napriek tomu bol odhodlaný svoje predpoklady dokázať, a tak začal premýšľať o tom, ako by sa dali takéto zložité časti vyrábať. Le Méhauté sa o svoj problém podelil s de Wittom, ktorý pracoval pre dcérsku spoločnosť Alcatelu. De Witte pracoval s lasermi a vedel o kvapalných monoméroch, ktoré by mohli byť vytvrdené na pevnú látku laserom.
To otvorilo cestu k vytvoreniu zariadenia na rýchle prototypovanie. Obidvaja predstavili túto novú myšlienku J. C. Andréovi, ktorý pracoval vo Francúzskom národnom centre pre vedecký výskum (CNRS). Hoci sa o túto myšlienku zaujímal, CNRS nakoniec tento projekt neschválila. Okrem nedostatku informácií tvrdili, že takáto technológia jednoducho nemá dostatok oblastí použitia. Trio podalo žiadosť o patent v roku 1984, ale bez dostatočných finančných zdrojov boli nútení projektu sa vzdať. Rok 1984 bol šťastným rokom pre 3D tlač. Charles „Chuck“ Hull, ktorý pracoval pre výrobcov stoličiek a nábytku, bol frustrovaný z toho, ako dlho trvá vyrobenie malých častí podľa priania zákazníkov. Preto navrhol, aby sa firemné UV svetlá začali používať na iné účely: vytvrdzovanie fotosenzitívnej živice vrstvou po vrstve, prípadne vytvorením časti.
Opäť je vám to povedomé? Ch. Hull, na rozdiel od svojich predchodcov, našťastie dostal vlastné malé laboratórium, v ktorom začal pracovať na tomto procese. Iba tri týždne po tom, čo tím vo Francúzsku požiadal o patent, požiadal o ten svoj aj Ch. Hull. Technológiu výroby pritom nazval stereolitografiou. Patent bol vydaný v roku 1986 a v tom istom roku založil svoju spoločnosť vo Valencii v Kalifornii: 3D Systems. V roku 1988 vyrobil svoj prvý komerčný produkt SLA-1. V súčasnosti je spoločnosť 3D Systems jednou z najväčších 3D tlačových spoločností a samozrejme jedným z lídrov trhu pre inovácie 3D tlače. Kľúčom k stereolitografii je istý druh akrylátového materiálu známeho ako fotopolymér.
Vystavte kvapalný fotopolymér pôsobeniu UV laserového lúča a časť vystavená svetlu sa okamžite zmení na pevný plastový kus tvarovaný do tvaru 3D modelu. Netreba dodávať, že táto nová technológia bola veľkou novinkou pre vynálezcov, ktorí by teraz teoreticky dokázali prototypovať a testovať svoje návrhy bez toho, aby museli vložiť obrovské predbežné investície do výroby. 1987: Carl Deckard z Univerzity v Texase prezentoval priekopnícku alternatívnu metódu 3D tlače, ktorá premieňa sypký prášok na pevnú látku namiesto spracovania tekutých živíc, ako to navrhol Ch. Hall. Deckardov prístup k 3D tlači zahŕňa použitie lasera na spájanie prášku spolu ako pevný materiál. Jeho prvý stroj sa nazýva Betsy. Avšak potrvá to až do roku 2006, kým budú prvé tlačiarne SLS komerčne životaschopné, čím sa otvoria nové príležitosti vo výrobe.
Zrod technológie fúzovaných depozícii (FDM)
S. Scott Crump spolu so svojou manželkou a vynálezkyňou Lisovou Crumpovou vynašiel a patentoval novú metódu aditívnej výroby nazvanú Fused Deposition Modeling. Táto technika spočíva v roztavení polymérového vlákna a jeho nanášania na substrát, vrstvu po vrstve, čím sa vytvorí 3D objekt. Myšlienka tejto novej technológie napadla S. Crumpa rok predtým, v roku 1988, keď sa pokúsil vytvoriť hračku pre svoju dcéru pomocou lepiacej pištole s využitím zmesi polyetylénu a svietnikového vosku. Po tom, ako sa to snažil robiť ručne, vymyslel spôsob, ako celý proces automatizovať a vyrobiť produkt vytvorením série tenkých, na seba umiestňovaných vrstiev. S. Crump bol neskôr spoluzakladateľom spoločnosti Stratasys, ktorá je v súčasnosti jednou z najvýznamnejších spoločností venujúcich sa aditívnej výrobe.
V roku 1992 mal v Arsenio Hall Show vystúpenie prezident Bill Clinton, kde hral na svojom obľúbenom saxofóne – a spoločnosť 3D Systems vytvorila prvý stroj s technológiou stereolitografie (SLA – Stereolitographic Aparatus), ktorý umožnil výrobu dielov vrstvu po vrstve len za zlomok času, ktorý by bol normálne potrebný pri inom spôsobe výroby. V tom istom roku uviedla spoločnosť DTM prvé SLS (Selective Laser Sintering) zariadenie na svete využívajúce laser na vytvrdzovanie prášku namiesto kvapaliny. Tieto technológie stáli na počiatku a neboli dokonalé; pri vytvrdzovaní dochádzalo k určitej deformácii v materiáli, navyše zariadenia boli pre domácich vynálezcov z hľadiska ceny nedostupné. No ich potenciál bol nepopierateľný. O desaťročia neskôr história 3D tlače ukázala, že tento potenciál sa stále rozvíja.
1999 – 2010: Obdobie dospievania 3D tlače
Prechod do 2. tisícročia bol vzrušujúci – nielen preto, že rok 1999 bol pre megaúspešný seriál Beverly Hills 90210 posledný, v ktorom sa natočili pôvodné časti, ale aj preto, že človeku bol implantovaný prvý orgán vyrobený 3D tlačou. Vedci z Wake Forest Institute for Regenerative Medicine vytlačili syntetickú verziu ľudského močového mechúra a potom ho potiahli ľudskými bunkami. Novo vytvorené tkanivo bolo potom implantované pacientom s malou až žiadnou šancou, že ich imunitný systém ich odmietne, pretože bolo vyrobené z ich vlastných buniek. Z medicínskeho hľadiska to bolo skvelé desaťročie v histórii 3D tlače.
Za desať krátkych rokov vytvorili vedci z rôznych inštitúcií a startupov funkčné miniatúrne obličky, postavili protetickú nohu so zložitými časťami, ktoré boli vytlačené v tej istej štruktúre, či biotlač prvých krvných ciev vytvorených iba pomocou ľudských buniek. Bolo to aj desaťročie, keď sa 3D tlač posunula do kategórie otvorených riešení. Adrian Bowyer spustil v roku 2005 projekt RepRap – iniciatívu založenú na otvorených riešeniach na vytvorenie 3D tlačiarne, ktorá by sa mohla v podstate stavať – alebo by aspoň mohla tlačiť väčšinu svojich vlastných častí. V roku 2008 bola predstavená tlačiareň Darwin so schopnosťou samoreplikácie.
Zrazu mali ľudia všade možnosť vytvoriť si vlastné veci, po ktorých toľko túžili. Zaujímavý bol aj projekt Kickstarter, ktorý sa začal v roku 2009 a odvtedy získal financie pri množstve projektov súvisiacich s 3D tlačou. V polovici roku 2000 už nové prístupy vo výrobe reflektovali požiadavky na zákaznícke riešenia a podporovali aj myšlienku hromadného prispôsobenia produktov zákazníkom. Prvé SLS zariadenie sa stalo komerčne životaschopným v roku 2006, čo otvorilo dvere priemyselnej výrobe na požiadanie. Startup Object (teraz zlúčený so spoločnosťou Stratasys) zameraný na 3D tlač vytvoril stroj, ktorý by mohol tlačiť z viacerých materiálov, čo umožňovalo výrobu jedného výrobku v rôznych verziách s rôznymi materiálovými vlastnosťami.
Vyvrcholením intenzívnych kreatívnych inovácií v tomto desaťročí bolo spustenie služieb tzv. spolupráce spoločnej tvorby, ako je Shapeways, trh s 3D tlačou, kde môžu návrhári získať spätnú väzbu od spotrebiteľov a iných návrhárov a následne vyrábať svoje výrobky. Čerešničku na tortu pridala spoločnosť MakerBot, ktorá priniesla DIY zostavy ako otvorené riešenia pre výrobcov, ktorí si vytvorili vlastné 3D tlačiarne a produkty. Zo dňa na deň sa tak stratili prekážky prieniku tejto technológie medzi dizajnérov a vývojárov.
2011 – súčasnosť: 3D tlač a doba najväčšieho rozkvetu
Keď sa pozrieme späť na niekoľko posledných rokov a porovnáme to so súčasnosťou, nebudeme ďaleko od pravdy, ak povieme, že už žijeme v budúcnosti. No, teda skoro. Zatiaľ čo cena 3D tlačiarní rýchlo klesla a presnosť 3D tlače sa zlepšila, inovátori prinášajú zlepšenia, o ktorý by Ch. Hull mohol len snívať. Návrhári už nie sú obmedzení len na tlač s plastom. Dnes si už dokážete vytlačiť zásnubný prsteň svojich snov zo zlata alebo striebra. Spoločnosť KOR Ecologic predstavila Urbee, auto s karosériou vyrobenou pomocou 3D tlače postavené tak, že malo na diaľnici dojazd 85 km/liter.
Okrem šperkov a lietadiel sa teraz 3D tlač používa na výrobu cenovo dostupného bývania pre rozvojový svet; vizionári začali používať technológiu na tlačenie všetkého od inteligentných robotických ramien, kostných náhrad a dokonca aj rôznych častí s hrúbkou niekoľkých atómov (čoho výsledkom je ešte menšia elektronika a batérie). Každý, kto si myslí, že 3D tlač je len o vytváraní malých predmetov, sa musí zobudiť, pretože inžinieri na univerzite v Southamptone v Anglicku vyrobili a úspešne otestovali prvé funkčné bezpilotné lietadlo vyrobené 3D tlačou.
Celkové náklady boli nižšie ako 7 000 USD. 2013: Vedeli ste, že technológia 3D tlače sa stala hitom potom, ako ju vo svojom príhovore spomenul prezident Spojených štátov? Vo svojom prejave o stave únie v roku 2013 Barack Obama chváli 3D tlač, že má „potenciál revolučným spôsobom ovplyvniť všetko, čo robíme“. Štandardizované bionáplne 2015: Švédska spoločnosť Cellink uvádza na trh prvú štandardizovanú komerčnú tlačiareň na bionáplň. Je vyrobená z materiálu získaného z morských rias nazývaného nanocelulózový alginát, pričom bionáplň možno použiť na tlač tkanivovej chrupavky.
Prvý produkt spoločnosti Cellink stál 99 USD za jednu náplň. V tom istom roku predáva spoločnosť aj tlačiareň v cene 4 999 USD. Najnovším prírastkom tejto spoločnosti je tlačiareň BIO X, ktorej cena sa pohybuje na úrovni 40 000 USD. Vďaka týmto produktom sa 3D biotlač stáva cenovo dostupnejšou technológiou pre širokú škálu výskumníkov po celom svete. Tri náhodne vybraté, skvelé, neočakávané fakty o 3D tlači: NASA je hlavným podporovateľom 3D tlače – od jedla až po prvú 3D tlačiareň vyrobenú v beztiažovom stave vo vesmíre. Na trhu je 3D tlačiareň (Photonic Professional GT), ktorá dokáže vytvoriť objekty, ktoré nie sú hrubšie ako ľudský vlas. Louis DeRosa použil 3Doodler – 3D pero na vytvorenie funkčného šesťmotorového drona.
Chuck Hull vysvetľuje princípy stereolitografie
Literatúra
[1] Goldberg, D.: History of 3D Printing: It’s Older Than You Are (That Is, If You’re Under 30). [online]. Publikované 13. 4. 2018.
[2] Gregurić, L.: History of 3D Printing – When Was 3D Printing Invented? [online]. Publikované 10. 12. 2018.
[3] Dormehl, L.: 15 major milestones along the brief history of 3D printing, Digital Trends. [online]. Publikované 11. 4. 2018.