První technologie 3D tisku nazvaná stereolitografie (SLA) vznikla už v roce 1984. Následně se začaly vyvíjet i další podobné technologie. Nový obor 3D tisku se však příliš rychle nerozvíjel, protože potřebné výrobní zařízení bylo značně složité, a tedy i drahé a náročné na obsluhu. Navíc byly příslušné technologie chráněné řadou patentů. 3D tisku se zpočátku říkalo Rapid Prototyping, rychlé prototypování, protože se používal téměř výhradně ve výrobě prototypů. Prvním náznakem změny byl v roce 2005 vznik otevřeného projektu RepRap na univerzitě v Bathu ve Velké Británii. Jeho cílem byl vývoj jednoduché 3D tiskárny, která se dokáže do značné míry sama replikovat, tedy vyrábět své vlastní součásti. Kompletní návrh RepRap tiskárny je komukoliv plně k dispozici, jde tedy o tzv. otevřený hardware. V roce 2009 v USA vypršela patentová ochrana technologie FDM. Na jejím základě a s využitím projektu RepRap bylo možné si doma poskládat tiskárnu pro tisk plastových výrobků z dostupných dílů už za několik tisíc korun. Kromě nadšeného přijetí u domácích a hobby uživatelů byly takové 3D tiskárny rovněž i základem úspěchu mnoha nových firem. Jednou z nejúspěšnějších je česká společnost Prusa Research, jejímž zakladatelem je Josef Průša. Jeho tiskárna typu i3 je považována za nejrozšířenější 3D tiskárnu na světě. Současný obor 3D tisku lze rozdělit na dvě odlišné oblasti, průmyslovou sféru a domácí, resp. hobby uživatele. Odlišnost vyplývá z úrovně použitého zařízení a je zřejmá i na první pohled – proti profesionálnímu tiskovému systému vypadá tiskárna RepRap jako hračička. Tak propastný rozdíl však už není mezi generovanými produkty, díky nadšení a invenci komunity drobných uživatelů 3D tisku se i na malém „domácím mazlíčkovi“ dají vytvořit úctyhodné výrobky. A v tom asi leží tajemství velmi úspěšného rozšíření technologie 3D tisku. Co se týče vlastního vytváření výrobku, jsou všechny technologie 3D tisku založeny na principu postupného nanášení vrstev materiálu na sebe. Obrovskou oblibu u běžných i profesionálních uživatelů si 3D tisk získal zejména tím, že dokáže vytvářet výrobky prakticky libovolně složitého tvaru, zejména s komplikovanými žebry a dutinami, a to i takové, jaké nelze jinými technologiemi vyrobit. Různých technologií 3D tisku, jejich variant a zejména názvů dnes výrobci uvádějí značný počet, ale v zásadě je lze podle použitých materiálů a způsobu jejich zpracování rozdělit na následující čtyři skupiny: Ukládání natav eného mat eriálu Materiál ve tvaru vlákna je tiskovou hlavou vytlačován skrz rozehřátou trysku a jeho postupným ukládáním se vytvářejí vrstvy výrobku. Příkladem je technologie FDM (Fused Deposition Modeling, ukládání nataveného materiálu) vyvinutá firmou Stratasys. Protože označení FDM je zároveň ochrannou známkou společnosti, konkurence často používá označení FFF (Fused Filament Fabrication, zpracování nataveného vlákna). Díky cenové dostupnosti, jednoduchému ovládání a způsobu práce a také širokému sortimentu použitelných materiálů se tato technologie velmi rychle rozšířila, zejména u drobnějších a hobby uživatelů. Její hlavní výhodou je široký sortiment relativně levných materiálů a nízká cena. Nevýhodou je poměrně nízká rychlost a přesnost tisku. Zajímavou variantou je technologie Polyjet Matrix, využívající více tiskových hlav, takže dokáže vytvářet výrobky z více různých materiálů najednou. Podobná, ale trochu odlišná je technologie Material Jetting (MJ). Při ní se jednotlivé vrstvy modelu nevytvářejí vytlačováním nataveného a následně tuhnoucího materiálu, ale tryskáním kapek polymeru. Každá vrstva je po dokončení ihned vytvrzena ultrafialovým zářením. Na ní se potom stejným způsobem ukládají další vrstvy. Tisk probíhá po řádcích, a proto není problém během tisknutí řádku změnit materiál. Lze tak snadno tisknout najednou více vedle sebe naskládaných modelů a modely mohou být složeny z více materiálů a být plně barevné. Stereolitogra fie Materiálem je tekutý fotopolymer (pryskyřice), který je vytvrzován působením záření různých vlnových délek. Zaměřením záření na konkrétní místo pracovní roviny postupně vzniká vrstva vytvrzeného polymeru, na kterou se pak nanášejí vrstvy další. Technologie SLA (StereoLitography Apparatus, stereolitografický přístroj), která byla první technologií 3D tisku, užívá pro vytvrzování laser. Výhodou SLA je její přesnost a rychlost, nevýhodou poměrně malý maximální rozměr výrobků. Ještě přesnější jsou příbuzné technologie DLP (Digital Light Processing, digitální zpracování světlem), v níž se pro vytvrzování užívá UV záření, a poněkud méně přesná, ale levnější technologie LCD (Liquid Crystal Display), při které se k ozáření užívá obrazovka. Při těchto technologiích projektor nebo obrazovka ozařují najednou celou vrstvu. Nevytvrzují tedy zpracovávanou plochu výrobku bod po bodu jako při stereolitografii, ale najednou, a proto jsou ještě přesnější a rychlejší. Spékání laserem Materiál v podobě jemného prášku je spékán (sintrován) laserem, přičemž se částice prášku účinkem difúze spojí. Příkladem je technologie SLS (Selective Laser Sintering, selektivní spékání laserem). Výrobek zde vzniká tavením práškového materiálu (tím může být např. plast, kov, keramika nebo i sklo). Na tiskovou plochu se nanese vrstva práškového materiálu odpovídající tloušťce vrstvy modelu. Ta se nejdříve předehřeje na teplotu blízkou bodu tavení, aby se ušetřila energie potřebná v dalším kroku. V něm se vrstva prášku v ploše řezů modelu spéká výkonným laserem. Potom se tisková deska sníží o tloušťku další vrstvy a postup se opakuje. Výhodou tohoto postupu je eliminace potřeby podpor modelu, protože výrobek je neustále obklopen, a tedy i podepírán nespečeným práškem. Při použití kovového prášku bývá tato technologie označována také jako SLM (Selective Laser Melting, selektivní tavení laserem). Její obdobou je technologie EBM (Elektron Beam Melting, tavení elektronovým paprskem), při níž musí tisk probíhat ve vakuu. Tyto technologie jsou velmi přesné, mohou zpracovávat mnoho materiálů a jsou schopné vytvářet velmi složité výrobky s komplikovanými dutinami a tenkými stěnami. Při technologii EBM se dosahuje vyšších pracovních teplot než při SLM,a proto dokáže zpracovávat materiály s vyšší tavicí teplotou a výrobky jsou hutnější, a tedy i pevnější. Nevýhodou těchto technologií je složitost a vysoká cena výrobního zařízení. Velmi zajímavou variantou je technologie MCP (Multilevel Concurrent Printing, současný tisk v mnoha úrovních). Při ní se během jednoho pracovního běhu neukládá jedna vrstva prášku, ale s určitým časovým rozestupem větší počet vrstev, řádově desítky. Podobně je do spékání zapojen i větší počet laserů. To samozřejmě vede k podstatnému urychlení tisku. Trys kání pojiva Také v rámci technologie BJ (Binder Jetting, tryskání pojiva) se práškový materiál rozprostře na tiskovou plochu, přičemž vrstva prášku odpovídá tloušťce vrstvy modelu. Potom je však tiskovou hlavou podobně jako při normálním inkoustovém tisku v profilu příslušného řezu modelem tryskáním nanášeno pojivo. Tak vznikne odpovídající vrstva výrobku a postup se znovu opakuje až do vytvoření tzv. green (zeleného) modelu. Materiálem může být nejen plast, ale také kovový či keramický prášek nebo i písek. Green model se potom dále tepelně zpracovává. Při zpracování (curing) se model zpevní a potom se z něj odstraní nespečený prášek. Je-li materiálem kovový prášek, je z modelu po zpracování v peci vypáleno pojivo. Vznikne tak pórovitý a málo pevný výrobek, který je potřeba zpevnit. To se provádí buď vpravením vhodného materiálu, obvykle bronzu, do pórů materiálu. Druhou možností je spékání čili sintrování. Zajímavou variantou technologie BJ je HP Multi Jet Fusion (mnohonásobné tryskání s fúzí). Při ní se při nanášení pojiva používá více současně pracujících tiskových hlav, což přispívá k podstatnému zvýšení rychlosti tisku ve srovnání s běžnými technologiemi (udává se desetinásobné). Před a za hlavami se pohybují tepelné zdroje – přední předehřívá čerstvý práškový materiál a zadní vytvrzuje nanesené pojivo a spojuje jej se spodní vrstvou. Při tisku se postupně nanáší nejen pojivo, ale i speciální činidla, označovaná jako detailing (upřesňovací) agent a transforming (transformační) agent. Detailing agent se nanáší tam, kde má být fúze prášku omezena, nebo naopak zesílena. Omezení se používá například na obvodu tiskové vrstvy, aby se dosáhlo ostrých a čistých hran. U speciální va-rianty této technologie se následně nanáší i transformační agent, který ovlivňuje vlastnosti materiálu, zejména jeho barvu, mechanické, optické nebo elektrické vlastnosti. Tyto vlastnosti se dají ovlivňovat v celém průřezu materiálu, čímž se dá dosáhnout různých efektů. Například může být pod povrchem výrobku vytvořena vrstva jiné barvy, která se objeví při rostoucím opotřebení. Také mohou být některé části povrchu výrobku tvrdší, aby se snížilo jejich opotřebení. Použitelnost změny optických vlastností, zejména průhlednosti, je zřejmá. Co se týče změny vodivosti, mohou se na výrobku vytvářet vodivé oblasti či vedení – ve vývoji se například podařilo vytvořit na povrchu výrobku tenzometry, měřící namáhání dílu za provozu. Z uvedeného popisu je zřejmé, že pro tuto technologii je potřebné předepisování vlastností materiálu nejen na povrchu, ale i uvnitř objemu modelu. Proto se už nevystačí s povrchovou reprezentací modelu, kterou poskytuje dnes nejrozšířenější formát pro 3D tisk, STL. Je potřebná reprezentace objemová, voxelová. Voxel je prostorová obdoba pixelu, obrazového bodu v rovině – mřížka pixelů v rovině definuje rovinný obraz, prostorová mřížka voxelů definuje plně prostorový objekt. K jeho popisu je nutné použít příslušný formát, například 3FM. Variantou technologie BJ pracující s kovovým práškem je HP Metal Jet. Pojivo je založeno na vodní bázi a obsahuje částice polymeru, sloužící ke spojení prášku v místech, kde je tiskovým postupem naneseno pojivo. Pojivo kapilárním působením pronikne i do nejjemnějších skulin a tím se v prášku rovnoměrně rozptýlí. Tisk probíhá podobně jako u technologie Multi Jet Vision, před tiskovou hlavou se vrstva prášku nahřívá, potom se nastřikuje pojivo a následně se nastříkaná vrstva zahřívá tak, že se tekutá složka pojiva vypaří. Nanesením všech vrstev se vyrobí green model, který se tepelně zpracovává (curing) tak, aby se dokončilo vypařování a vytvrdila zbylá polymerová složka pojiva. Potom se green model ochladí a očistí od zbytku neslepeného prášku. Závěrečným krokem je spékání vysokou teplotou, při kterém se odstraní zbytky pojiva a difuzí se kovové části spojí do materiálu s 93% hutností ve srovnání s pevným materiálem. Výrobky mají vlastnosti odpovídající výrobkům zhotoveným technologií tlakového lití směsi kovového prášku s kapalným pojivem MIM. Proces odstraňování pojiva je při něm obdobný, avšak u HP Metal Jet je mnohem rychlejší zejména vzhledem k použitému pojivu, které se snadno odpařuje a díky jehož vlastnostem může být procentuální podíl pojiva v prášku velmi nízký. Mezi řadou technologií 3D tisku jsou i technologie, které nelze jednoznačně zařadit do popsaných čtyř skupin. Jednou z nich je technologie MELD, která na rozdíl od ostatních technologií 3D tisku kovových výrobků pracuje s pevným materiálem. Ten je dutým rotujícím nástrojem přitlačován na spodní vrstvu materiálu a působením vyvinutého tlaku a vzniklé teploty se s ní spojuje. Pevný materiál je samozřejmě hutnější, a tedy i pevnější než spékaný prášek. Technologie STEP zase užívá tiskový válec, podobně jako laserová tiskárna. Povrch válce se v profilu odpovídajícím příslušnému průřezu modelu nabíjí elektrostatickým nábojem, na němž se následně usazuje práškový materiál. Ten se přenese na dopravníkový pás a prochází ohřívací jednotkou, kde se nataví na předcházející vrstvu. Touto technologií lze dosáhnout velmi vysoké rychlosti tisku. S množstvím technologií 3D tisku koresponduje i šíře jejich použití. Co se týče materiálů, zvládají kromě tisku běžných materiálů používaných ve strojírenství a stavebnictví například také tisk potravin nebo dokonce živé tkáně. Co se týče velikosti, rozměry výrobků se pohybují od nanometrů až po celé budovy a stavby. Asi největším dosud známým výrobkem je půl kilometru dlouhá zeď říční navigace, kterou 3D tiskem „vystavěla“ čínská firma Winsun. A meze možností 3D tisku se stále rozšiřují. Josef Chládek
