Nie tylko druk 3D – poznaj różnice pomiędzy drukiem 2.5D, 4D i 5D

199

Druk 3D należy do nowych technologii, które w ostatnich latach budzą ogromne zainteresowanie ze względu na swój praktyczny, biznesowy potencjał. Powstaje coraz więcej rozwiązań usprawniających nie tylko szybkie i stosunkowo tanie tworzenie prototypów, ale także produkcję gotowych części, a nawet drukowanie elementów konstrukcyjnych budynków. Pomysł wytwarzania przyrostowego zrodził się po sukcesie, jaki w drugiej połowie ubiegłego wieku odniosły elektryczne drukarki 2D, które udoskonaliły znaną od XV wieku technologię opracowaną przez Jana Gutenberga. Zapraszamy na artykuł Platformy Przemysłu Przyszłości.

Pierwsza drukarkę elektryczną o nazwie EP-101 (skrót od Electronic Printer) złożyła w 1968 roku japońska firma Suwa Seikosha. Obecna nazwa przedsiębiorstwa – Seiko Epson – oznacza dosłownie Seiko, syn drukarki elektrycznej. Od tamtego czasu dwuwymiarowy druk stosowany jest powszechnie w większości firm i w domach. Na rynku mamy wiele urządzeń wykorzystujących różne technologie druku 2D, z których największą popularnością cieszą się drukarki laserowe, atramentowe i igłowe. Równolegle, choć nieco wolniej od elektrycznych drukarek biurowych, rozwijał się druk 3D. I choć pierwsze badania nad wytwarzaniem przyrostowym były prowadzone już w latach 60 XX wieku, dopiero od 1984 roku możemy mówić o komercyjnym zastosowaniu tej technologii, kiedy to założyciel firmy 3D Systems, Chuck Hull, opatentował stereolitografię.

(graf. Lech Mazurczyk)

Druk 2.5D – wypukłe wydruki

To pośrednia technologia pomiędzy drukiem dwuwymiarowym a trójwymiarowym – 2.5D pozwala tworzyć nadruki o wyczuwalnej w dotyku teksturze. Rozwiązanie zostało opracowane w 2013 roku przez holenderską firmę Océ należącą obecnie do Canona. Technika japońskiego producenta opiera się na zastosowaniu dodatkowych warstw tuszu, dzięki czemu nadruki stają się lekko wypukłe, co szczególnie ważne w przypadku zastosowań pod kątem osób niewidomych, które są w stanie rozpoznawać tego typu powierzchnie.

Podobne rozwiązanie z zakresu druku 2.5D przedstawiła inna japońska firma – Casio. Producent z Kraju Kwitnącej Wiśni w 2017 roku wprowadził do sprzedaży urządzenie Mofrel, czyli drukarkę 2.5D wykorzystującą specjalny papier, który może imitować skórę i tkaniny. Po zadrukowaniu, pod wpływem ciepła część papieru rozszerza się, tworząc wyczuwalną pod palcami fakturę. Przedsiębiorstwo Cefla Finishing opracowało system myTexture umożliwiający tworzenie realistycznych nadruków również przypominających konkretny materiał. Druk 2.5D w przemyśle jest stosowany w produkcji mebli, podłóg czy etui na telefony.

4D i 5D, czyli nowe podejście do druku 3D

Idea druku 4D w porównaniu do 3D wprowadza dodatkowy wymiar – czas. Po raz pierwszy pojęcie pojawiło się w 2013 roku na wykładzie z cyklu TED. Druk 4D szybko stał się osobną gałęzią wytwarzania addytywnego i wzbudził szerokie zainteresowanie w przemyśle oraz środowisku akademickim.

Druk 4D, jak wskazuje nazwa, oznacza wytwarzanie w 4 wymiarach. Wydruki mogą zmieniać się pod wpływem światła, ciepła, ciśnienia i innych czynników, jak np. wilgoci albo obecności w pobliżu konkretnego związku chemicznego. Aby wywołać taki efekt, można wykorzystać właściwości materiałów i ich geometrię, powodując zmianę kształtu wydrukowanego przedmiotu. Technologia pozwala tworzyć np. tzw. miękkie roboty, których zachowanie da się w pewnym stopniu zaprogramować. W przyszłości takie urządzenia znajdą szerokie zastosowanie m.in. w medycynie, dostarczając leki w precyzyjnie określone miejsca w organiźmie. Możemy spodziewać się wykorzystywania druku 4D także w przemyśle odzieżowym – ubrania i buty produkowane w tej technologii dostosują się do kształtu ciała oraz do otoczenia, uwzględniając wilgotność czy rodzaj podłoża. Technologia druku 4D jest obecnie rozwijana w ośrodkach naukowych, wdrożeń komercyjnych należy oczekiwać w ciągu kilku lat. Według prognoz Gartnera, do 2025 roku rynek druku 4D osiągnie wartość 300 milionów dolarów.

(graf. Lech Mazurczyk)

Jakich materiałów można użyć?

Najłatwiej wykonać element w technologii druku 4D, używając drukarki 3D oraz inteligentnego materiału. Przykładem są polimery z pamięcią kształtu, które pod wpływem czynnika zewnętrznego, np. temperatury, wracają do pierwotnej geometrii. Hydrożele to materiały powszechnie stosowane w druku 4D ze względu na swoje właściwości pozwalające zmienić objętość pod wpływem bodźca. Wadą materiału jest niska wytrzymałość mechaniczna. Hydrożele wykorzystywane są na ogół w medycynie do tworzenia konstrukcji biokomórkowych, takich jak komórki nerek. Inny przykład to kompozyty – istnieje wiele rodzajów, wśród nich polimery połączone z węglem, które zwiększają właściwości mechaniczne i elastyczne drukowanych obiektów. Dodatek grafenu pozwala z kolei na podwyższenie wytrzymałości mechanicznej oraz obniżenie gęstości, stosuje się go w przemyśle lotniczym, w produkcji siłowników i urządzeń do wytwarzania leków.

Do czego przydaje się druk 4D?

Druk 4D wykorzystuje się dziś w robotyce, w przyszłości może mieć jeszcze większe znaczenie ze względu na dużą efektywność energetyczną wspomnianych miękkich robotów. Stosując przy ich produkcji inteligentne materiały, urządzenia są w stanie wchodzić w większą interakcję z otoczeniem, dzięki czemu da się zaoszczędzić na pamięci obliczeniowej. Warto tu podać przykład robota, którego zadaniem jest podnoszenie przedmiotów. Przy użyciu tradycyjnych, mechanicznych ramion w takim zadaniu potrzebna jest przede wszystkim precyzja, która wymaga szczegółowej analizy otoczenia. To samo zadanie można wykonać w bardziej efektywny sposób dzięki maszynie z zamontowanym miękkim chwytakiem, który odkształca się w kontakcie z przedmiotem – tu, aby osiągnąć zadowalający efekt (przeniesienie obiektu bez uszkodzenia), kierunek ruchu ramienia, jak i siła nie muszą być bardzo precyzyjnie dobrane.

Roboty są wykorzystywane w produkcji głównie w miejscach, gdzie potrzeba siły i precyzji. Ograniczenie obecnie stosowanych maszyn stanowią materiały, z jakich są wykonane. Metalowe chwytaki nie mają takiej czułości, jak ludzkie palce, przez co nie najlepiej nadają się do stosowania w miejscach, w których liczy się delikatność, np. podczas przenoszenia miękkich, łatwych do uszkodzenia przedmiotów. Wykorzystanie druku 3D i nowych materiałów pozwala połączyć zalety zwykłych i miękkich robotów, dzięki czemu maszyna jest w stanie przykładać dużą siłę, zachowując przy tym delikatność ludzkiej dłoni. Zaletą miękkich urządzeń jest też ich mobilność. Ten aspekt ma szczególne znaczenie podczas podróży na orbitę okołoziemską, co spowodowało, że drukiem 4D zainteresowała się NASA. Opisywana technologia może w przyszłości znaleźć też zastosowanie w logistyce, obniżając koszty transportu. Bardziej mobilne urządzenia pomogą tworzyć fabryki modułowe, gdzie w miejscu typowych taśm produkcyjnych znajdą się wyspy, pomiędzy którymi będą przemieszczały się urządzenia. Ważnym aspektem użycia technologii druku 4D pozostaje bezpieczeństwo, zwłaszcza w przypadku cobotów współpracujących z ludźmi.