Aditivní technologie

Aditivní technologie
Zpráva o stavu 3D tisku pro Českou technologickou platformu
STROJÍTENSTVÍ, o.s.
Josef Hodek
Číslo zakázky
ZAK1301052
Číslo zprávy
1
Odpovědný pracovník
Josef Hodek
Počet stran
25
Datum
21. 06. 2013
Počet příloh
0
AditivníTisk_pdf_draft
Aditivní technologie
Zpráva o stavu 3D
STROJÍTENSTVÍ, o.s.
tisku
pro
Českou
technologickou
Josef Hodek
Vypracoval
Josef Hodek
Podpis
Datum
Schválil
Podpis
21. 06. 2013
Datum
21. 06. 2013
platformu
Obsah
Úvod
4
1
Historie AM
6
2
Současný stav aditivních technologií ve světě [2]
7
3
Přehled aditivních technologií
8
3.1
3.2
Stereolitografie
Selective Laser Sintering
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.3
3.4
4
Laser Sintering – Plastic
Laser Sintering – Metal
Laser Sintering - Foundry Sand
Laser Sintering – Ceramic
10
10
11
11
Fused Deposition Modelling
Laminated Manufacturing
12
13
Možnosti a vize využití aditivních technologií
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Kosmický výzkum
Zbraně
Potraviny
Zdravotnictví
Dopravní prostředky
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.6
4.7
8
9
14
14
15
15
16
17
Letadla
Lodě
Automobily
17
18
18
Móda a design
Architektura
19
20
5
Využití aditivních technologií ve strojírenství
21
6
Institucionální podpora aditivních technologií
22
7
Významní výrobci a poskytovatelé aditivních technologií23
8
Reference
24
3/25
Úvod
Aditivní modelování (3D print, additive manufacturing) je proces, který vytváří trojrozměrné objekty tak,
že postupně skládá vrstvu po vrstvě určitého materiálu a tím vytváří rozličné finální tvary podle CAD
předlohy. Nevzniká tím žádný odpad jako při konvenční výrobě. Tento proces je podobný tisku na
inkoustových, nebo laserových tiskárnách (proto tisk) s tím rozdílem, že tiskne prostorové objekty.
Objekt vytvořený z vrstev konečné tloušťky je pouze aproximace originálu. Čím tenčí bude použitá
tloušťka vrstvy, tím bude tvar vyrobeného objektu blíže k originálu. Na Obr. 1 je vidět vliv šířky vrstvy
na tvar vyrobeného objektu.
Obr. 1 CAD originál a vliv rozdílné šířky vrstvy na tvar vyrobeného objektu
Všechny komerční přístroje aditivních technologií používají princip vrstvení materiálu. Liší se ve
způsobu, jakým jsou vrstvy tvořeny a jak jsou vrstvy vzájemně spojeny. Různé technologie pak
generují různé přesnosti vyrobeného objektu, mechanické vlastnosti, cena a jak rychle je výroba
provedena.
Aditivní modelování (AM) se využívá v široké řadě aplikací, která se neustále rozrůstá. Nejvíce bylo
používáno pro tzv. „Rapid prototyping“ (RP) což je výroba prototypů pomocí 3D tisku. Tyto prototypy
jsou většinou nevhodné k většímu zatížení a slouží většinou k představě o vzhledu a zástavbě do stroje
či k menšímu zatížení. AM má však širší rámec než je realizace modelů.
Termín RP byl dříve používán jako synonymum AM. AM však má možnosti daleko za rámec tvorby
prototypů, proto se postupně místo dříve používaného termínu RP používá obecnější termín AM.
Proces AM obsahuje řadu kroků od virtuálního CAD modelu k fyzickému objektu. Na Chyba!
Nenalezen zdroj odkazů. je vizualizace tohoto procesu.
4/25
Obr. 2 Proces výroby pomocí AM
1
CAD
Všechny části jsou popsány modelem, který plně popisuje povrch modelovaných objektů. Tento
požadavek splňuje pravděpodobně jakýkoliv profesionální CAD software, ale i celá řada volně
dostupných programů.
2
Konverze STL
Téměř všechna AM zařízení umí pracovat s STL formátem vstupních souborů, který se stal pro
AM standardem. Každý CAD software umí generovat takový výstupní formát souborů. STL
soubory popisují uzavřené plochy originálního CAD modelu.
3
Import STL do AM zařízení
STL soubory jsou nahrány do AM zařízení a je možnost jednoduchých úprav jako je velikost a
orientace při tisku.
4
Nastavení zařízení AM
Nastavení procesu tisku (teploty, množství materiálu, rychlosti, časování, atd.)
5
Tisk objektu
Automatický proces, který většinou probíhá samostatně bez obsluhy.
6
Odstranění objektu
Po tisku musí být vytištěný objekt ze zařízení AM
7
Postprocessing
Vytištěný objekt je nutné většinou upravit, odstranit přebytečný materiál a odstranit podpory
pokud byly využity.
8
Použití
Vytištěný objekt je připravený pro použití
5/25
1
Historie AM
Jako vnik AM lze pokládat vytvoření inkoustové tiskárny v roce 1976. V roce 1984 byl koncept
úpravami a vylepšeními upraven pro tisk s jinými materiály než inkoust. První funkční zařízení AM bylo
vytvořeno Chuckem Hullem z 3D Systems Corp [1]. V následující testu jsou vyznačeny hlavní milníky
technologie AM.

1984

1990
Společnost 3D Systems vyrábí první AM zařízení. Zařízení pracuje
s fotopolymery vytvrzované UV laserem. Ačkoliv výsledné objekty nejsou dokonalé,
zařízení dokáže vyrábět složité tvary v krátké době

1999

2000
Vědci dokázali vyrobit miniaturní ledvinu, která byla schopná filtrovat krev a
produkovat moč ve zvířeti.

2005
Dr. Adrian Bowyer z univerzity v Bath založil RepRap – open source projekt AM
zařízení, který má za cíl replikovat samo sebe vytvořením většiny použitých součástí.
Vize tohoto projektu je levná distribuce RepRap zařízeních komukoliv kamkoliv.

2006

2006
Bylo vytvořeno AM zařízení, které bylo schopné zároveň pracovat s více
materiály, tj. vyrobená součást může být tvořena z materiálů o různých vlastnostech a
hustotách.

2008
První samoreplikující se AM zařízení. Výsledek aktivit projektu RepRap, který
umožnil uživatelům, kteří už vlastnili AM zařízení vyrobit další.

2008

2009
Společnost MarkerBot Industries uvedla na trh kit, který umožnil vyrobit další
AM zařízení a jiné součásti

2009

2011
Inženýři z univerzity v Southamptonu navrhli a vyrobili první letadlo vyrobené
pomocí AM.

2011
První automobil kde bylo ve větší míře použito AM. Jedná se o lehké vozidlo se
třemi koly a s tvarem slzy, které váží cca 500kg. Motor, šasi a kola jsou vyrobené
s tradičních materiálů, ale většina automobilu je vytvořena vrstva po vrstvě z plastu ABS.

2011
Tisk ze zlata a stříbra. Společnost i.materialise začala nabízet jako první
možnost tisku ze zlata a stříbra. Pravděpodobně se tím otevírají nové možnosti v oblasti
šperkařství.

2012
Použití AM technologie k vytvoření kosti spodní čelisti a implantování
pacientovi.
Vznik 3D tisku, vytvoření prvního funkčního zařízení na principu stereolitografie
První transplantace orgánu (močového měchýře), při které bylo využito AM.
První AM zařízení na principu Selective laser sintering.
První osoba používá protézu nohy kompletně vyrobenou pomocí AM zařízení
Společnost Organovo využila AM technologii k vytvoření první cévy
6/25
2 Současný stav aditivních technologií ve světě
[2]
V celém světě dochází k obrovskému rozvoji aditivních technologií v celé řadě oborů. Téměř každý den
se objevuje v médiích nějaká zpráva o dalším pokroku na tomto poli.
Trh aditivních technologií obsahující všechny produkty a služby na celém světě vzrostl o 29,4%
($1,714 mld) v roce 2011, 24,1% ($1,325 mld) v roce 2010 a klesal o 9,8% v roce 2009 v důsledku
hospodářské recese. Celkově průmysl AM vzrostl dvouciferně za 15let od vzniku technologie.
Dochází k velkému růstu v oblasti low-cost osobních zařízeních. Tyto produkty jsou obvykle prodávány
za ceny mezi $1000-$2000 a jsou prodávány ve formě kitů. Většina těchto osobních zařízení je
odvozena od projektu RepRap. Různé odnože projektu RepRap jsou na internetu prezentovány jako
open hardware technologie, kde veškerá data ke stavbě jsou volně k dispozici a zájemce si může
aditivní zařízení postavit sám.
Profesionální průmyslová zařízení jsou prodávána za ceny $5000 a více. Prodej těchto zařízení vzrostl
odhadem o 5,4% v roce 2011 (6494 prodaných jednotek). Pro srovnání v roce 2010 bylo prodáno
6164 jednotek.
Prodej osobních aditivních zařízení vzrostl o 289% s 23265 jednotek v roce 2011. Osobní aditivní
zařízení však představují pouze $26,1mil z celkové sumy prodeje AM v roce 2011. Pokud osobní AM
zařízení bude pokračovat i nadále v růstu stane se také velmi zajímavým segmentem pro investory.
Odhaduje se, že 26,3% všech průmyslových AM zařízení je v oblasti Asie, 29,1% v Evropě a 40,2%
v Severní Americe. Zbytek 4,4% je ve zbytku světa (střední a jižní Amerika, blízký východ a Afrika).
Pro představu o použití aditivních technologií v různých oborech lidské činnosti je uveden následující
graf na Obr. 3
Obr. 3 Použití aditivních technologií v různých oborech [3]
7/25
3 Přehled aditivních technologií
V současnosti existuje celá řada aditivních technologií. Odlišují se od sebe způsobem, jakým jsou
vytvářeny jednotlivé vrstvy modelu a použitými materiály. Existuje celá řada klasifikace metod
aditivního tisku. Pravděpodobně nejvíce používaný způsob je klasifikace podle vstupního materiálu [4].
Vstupní materiál
Tekutý polymer
Diskrétní částice
Roztavený materiál
Pevné vrstvy
Technologie
Stereolitography – SLA
Selective Laser Sintering – SLS
Fused Deposition Modelling – FDM
Laminted Object Manufacturing - LOM
Tab. 1 Klasifikace aditivních technologií podle vstupního materiálu
Některé aditivní metody neodpovídají přesně rozdělení v Tab. 1, ale pro základní představu toto
rozdělení stačí. Následující text popisuje více podrobně jednotlivé aditivní technologie.
3.1
Stereolitografie
Jde o velmi přesnou a používanou metodu, při které se model vytváří postupným vytvrzováním
fotopolymeru (plastické hmoty citlivé na světlo) pomocí UV laseru. Na základě dříve vytvořených
informací o rozměrech příčných řezů jednotlivými rovinami (vrstvami) jsou vypočítané řídící údaje, které
vedou paprsek laseru pomocí XY skenovací hlavy nad horní plochou nádobky s polymerem.
Součástka je vytvářena na nosné desce, která se na začátku nachází přímo pod hladinou polymeru.
Vytvarováním tekutého polymeru po vrstvách a následným odebráním z nosné desky vzniká
trojrozměrné těleso (model).
Stereolitografie je nejstarší z technologií Rapid Prototypingu a kromě už zmíněné přesnosti vyniká také
velkým množstvím použitelných materiálů. Oproti jiným technologiím je možno stereolitografií vytvářet
modely s milimetrovými otvory a miniaturními prvky. Stejně jako u většiny ostatních technologií je
možno modely vyrobené stereolitografií použít pro vizuální kontrolu návrhu výrobku, v některých
případech i k funkčním zkouškám a díky široké paletě materiálů i jako forem pro vstřikování a lití.
Součástka, která by se klasickými konvenčními metodami vyráběla několik týdnů může být s pomocí
Stereolitografie vyrobena během několika hodin. Nevýhodou stereolitografie je především pomalý
proces tvrzení polymeru a u některých materiálů také malá tepelná odolnost vzniklého modelu.
Obr. 4 Princip stereolitografie [5]
8/25
3.2 Selective Laser Sintering
Modely vyrobené metodou Selective Laser Sintering velmi pevné. Selective Laser Sintering je
technologie, při které je laserovým paprskem spékán do určitého tvaru slévárenský písek, plastový
nebo kovový prášek. Přídavný materiál je nanášený na nosnou desku v inertní atmosféře po vrstvách.
Podle vypočtených souřadnic bodů rovin řezů je řízená XY skenovací hlava, která vede laserový
paprsek nad povrchem prášku. V místě působení laseru se přídavný materiál buď zapeče, nebo
roztaví. Okolní neosvětlený materiál slouží jako nosná konstrukce. Výroba součásti probíhá po
vrstvách, po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy.
Na rozdíl od jiných metod můžeme využívat široké spektrum materiálů. Principielně je možné použít
jakýkoliv prášek, který se působením tepla taví nebo měkne. V současnosti se v komerčních oblastech
používají např. termoplastické materiály jako jsou polyamid, polyamid plněný skelnými vlákny,
polycarbonát, polystyrén dále speciální nízkotavitelné slitiny z niklových bronzů nebo polymerem
povlakovaný ocelový prášek. Většinou však ale není možno přecházet na stejném zařízení od jednoho
materiálu k druhému, neboť jejich vytvrzení si vyžaduje výrazně odlišné podmínky.
Podle druhu použitého modelovacího materiálu je možno v rámci této technologie rozlišovat metody:




Laser Sintering - Plastic
Laser Sintering - Metal
Laser Sintering - Foundry Sand
Laser Sintering – Ceramic (Direct Shelt Production Casting)
Obr. 5 Princip - Laser Sintering
9/25
3.2.1
Laser Sintering – Plastic
U Laser Sinteringu - Plastic je, stejně jako například u FDM, možno volit z několika druhů plastických
materiálů, které svými vlastnostmi určují i způsob využití hotového modelu. Při použití polystyrenu je
možné použít výsledný model ve standardní metodě lití do ztraceného vosku, přičemž je možno
snadno modelovat i velmi komplikované části výrobku. Při použití nylonu dosahují výsledné modely
vynikající mechanické vlastnosti jako tvrdost, houževnatost, teplotní odolnost atd. Tyto modely jsou
proto vhodné pro funkční zkoušky nebo testy lícování. Standardním využitím všech modelů je
prostorová vizualizace navrhovaného výrobku.
Obr. 6 Příklad technologie laser sintering plastic [6]
3.2.2 Laser Sintering – Metal
Modely vzniklé metodou Laser Sintering - Metal dosahují dostatečné pevnosti a mechanické odolnosti,
takže je možno je využít především jako formy pro výrobu plastových součástek vstřikováním nebo
lisováním
Obr. 7 Pomocí laser sintering metal lze vyrobit velmi složité tvary [7]
10/25
3.2.3 Laser Sintering - Foundry Sand
Jednou z nejnovějších technologií rapid prototypingu je Laser Sintering - Foundry Sand. Tato metoda
používá upravený slévárenský písek, jehož vytvrzováním je možno bez jakýchkoli mezikroků vytvořit na
prototypovacím zařízení klasickou pískovou formu pro lití.
Obr. 8 Komplikované jádro z písku a skutečný hliníkový odlitek [8]
3.2.4 Laser Sintering – Ceramic
Výchozím materiálem je v tomto případě prášek slepovaný pomocí tekutého pojiva. Nanášení pojiva je
zajištěno pomocí Ink-Jet tryskové hlavy, která je vedená v rovině XY podle předem vypočítaných
řídících údajů. Pomocí této metody se dají vyrábět různé součástky z keramického prášku nebo formy
a jádra pro technologii přesného lití.
Obr. 9 část dolní čelisti vytovořená z hydroxyapatitu
11/25
3.3 Fused Deposition Modelling
Velmi zajímavým kompromisem odolnosti modelu, rychlosti a přesnosti tvorby je metoda Fused
Deposition Modelling (FDM). Model se vytváří nanášením jednotlivých vrstev z různých netoxických
termoplastů nebo vosků systémem krok po kroku. Materiál ve tvaru tenkého vlákna vychází z
vyhřívané trysky, která se pohybuje v rovině XY nad pracovním prostorem. Ve trysce je ohříván na
teplotu o 1°C vyšší než je jeho teplota tavení. Při styku s povrchem vytvářené součástky se vlákna
vzájemně spojují a vytváří tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned ztuhne. Součástka se opět
vytváří na nosné desce, která se vždy po nanesení jedné vrstvy sníží o hloubku této vrstvy. Na
podepření přečnívajících částí je nutné vytvořit podpůrnou konstrukci z lepenky nebo polystyrenu.
Při modelování metodou FDM jsou objekty vytvořené v CAD aplikacích "rozřezány" na vrstvy pomocí
tzv. Slice-Software. Zařízení pracující s technologií FDM mohou být využívána také v běžném
kancelářském prostředí, neboť u nich byla odstraněna práce s toxickými materiály a s citlivými
zařízeními pro laserové snímání. Touto metodou můžeme vytvářet součástky např. z polyamidu,
polyetylénu nebo z vosku. Vytvořený model již nevyžaduje žádné obrábění. Na principu technologie
FDM pracuje většina tzv. 3D tiskáren.
Obr. 10 Princip Fused deposition modelling
Obr. 11 Části vytvořené pomocí FDM [9]
12/25
3.4 Laminated Manufacturing
Oproti jiným metodám Rapid Prototypingu, které pracují relativně pomalu, je pro rychlé zhotovení
prototypu vhodná technologie výroby laminováním, při níž se model sestavuje z plastových folií nebo z
mnoha vrstev papíru napuštěného zpevňující hmotou, které jsou oříznuty do správného tvaru laserem.
Součástka je vytvářená na svisle se pohybující podložce. Celý proces modelování probíhá tak, že se
na nanesenou a vyřezanou vrstvu natáhne papírová folie opatřená vrstvou polyetylénu, která se poté
přitlačí soustavou vyhřívaných válců, čímž dojde ke slepení obou vrstev. Paprskem laseru je vyřezán
požadovaný obrys vytvářené vrstvy. Přebytečná odřezaná folie je laserem rozdělena na čtverce a
později odstraněna. Po vytvoření vrstvy se podložka sníží o tloušťku folie a postup se opakuje.
Vytvořené součástky mají podobné vlastnosti jako by byly vyrobené ze dřeva. K dosažení hladkého
povrchu je nutné součástku ručně opracovat. Metoda je vhodná na výrobu velkých modelů,
nevýhodou je velké množství odpadu
Obr. 12 Princip Laminated Manufacturing
Obr. 13 Objekt vytvořený pomocí laminated manufacturing
13/25
4 Možnosti a vize využití aditivních technologií
V současnosti dochází k širokému využití aditivních technologií v celé řadě oborů lidské činnosti.
Předpokládá se, že mají tyto technologie velikou budoucnost a zároveň dojde k širokému rozšíření i
pro domácí uživatele s klesající cenou aditivních technologií.
4.1
Kosmický výzkum
Myšlenka využívání aditivních technologií v kosmickém výzkumu se objevuje velmi dlouho. Možnost
výroby náhradních dílů, nebo výroba nových přístrojů během pobytu ve vesmíru bez využití pozemské
infrastruktury je velmi důležitá. Americký národní úřad pro letectví a kosmonautiku NASA využívá
aditivní techniky v celé řadě oblastí. Např. pro vývoj malých satelitů, pro vývoj vstřikování raket nebo
využití 3D tisku k výrobě součástí z materiálu, který by měl pokrývat horniny asteroidů, Mars.
NASA spolupracuje se společností Made in Space z Kalifornie aby společně demonstrovaly první 3D
tisk na palubě Mezinárodní vesmírné stanice. Tyto testy mohou pomohou vyvinout techonogii
budoucím kosmonautům tisknout nástroje, které budou potřebovat a recyklovat jiné nástroje zpátky
v jejich tiskárnách. Budoucí průzkumníci Marsu by mohli nejdříve poslat roboty a tiskárny, kteří by
připravili základní infrastrukturu pro první osadníky před jejich příchodem [10].
Evropská kosmická agentura (ESA) chce využít aditivní technologie pro výstavbu lunární základny.
Vývojáři ESA a jejich partneři nedávno úspěšně předvedli 3D tisk s atrapou suti na povrchu Měsíce –
měsíčního regolitu a vytvořili 1,5 tunový stavební blok. Pokud by časem dospěli k plně funkční
technologii 3D tisku měsíční základny, měli bychom skvělý potenciál pro rozjezd kolonizace Měsíce,
která by tolik nespoléhala na import ze Země.
Obr. 14 Testy aditivního zařízení při parabolickém letu
14/25
4.2 Zbraně
V květnu 2013 se v médiích objevila zpráva o stažení zdrojových souborů k vytištění funkční palné
zbraně [11]. Materiálem pro tisk byl amorfní termoplastický kopolymer ABS. Zbraň vydrží pouze
několik ran. Zpráva vzbudila velikou diskusi v médiích.
Obr. 15 Rozložená palná zbraň vytvořená aditivním modelování
4.3 Potraviny
Základem tiskárny jsou chlazené zásobníky s různými jídelními přísadami ve velmi jemné, práškové,
nebo tekuté formě. Tyto přísady putují do mixéru a tato směs je dopravena k tiskové hlavě. Tisková
hlava pak vyrábí potraviny v libovolném množství, libovolného tvaru a složení. Každá částečka
potravinové směsi může být zároveň individuálně tepelně zpracována, protože měnit lze i teplotu.
Některé ingredience a jejich kousky tak mohou být vařeny či pečeny a jiné zase podchlazovány nebo
mraženy. Tyto procesy probíhají v trubkách, které vedou k tiskové hlavě.
Tento stroj bude využitelný např. v oblasti cukrářství nebo při tvorbě těch nejexotičtějších druhů
zákusků. Další výhodou je přesná kontrola prostorového rozložení všech ingrediencí i nutriční hodnoty
jídla. Recepty či spíše algoritmy receptů bude navíc možné stahovat po stovkách z internetu přímo do
stroje.
Obr. 16 Princip aditivního zařízení na výrobu potravin [12]
15/25
NASA poskytla grant na vyvinutí prototypu univerzálního syntetizátoru jídla. Využití by mělo být širší
než pro letů do vesmíru. Je vize, kdy bude takovým zařízením vybavena každá kuchyně a kdy bude 12
miliard obyvatel Země koncem tohoto století jíst nutričně přiměřená a na objednávku vyrobená jídla syntetizovaná ze zásobníků prášků a oleje, které bude možné koupit v každých potravinách.
Využití této technologie by mimo jiné znamenalo i výrazné omezení mrhání s jídlem, protože prášky a
oleje bude možné uchovávat velmi dlouhou dobu, až třicet let. Takže obsah každého zásobníku, ať už
půjde o cukry, uhlovodany, proteiny nebo jiné základní stavební bloky, bude vždy zcela spotřebován.
Obr. 17 Potraviny vytvořené aditivním modelováním [13]
4.4 Zdravotnictví
Lidské tělo by mohlo být z hlediska aditivních technologií chápáno jako systém vyměnitelných dílů.
Doba, kdy bude běžné využívání těchto technologií, není daleko.
V současnosti se již na některých pracovištích používá aditivní tisk k výrobě zubních náhrad jako
implantátů, korunek nebo výroba protéz končetin. V Holandsku byla provedena operace, kdy byla
vyrobena a implantovaná spodní čelist. Byla vyrobena SLS metodu z titanového prášku a potažena
keramickou biokompatibilní vrstvou [14].
Obr. 18 Implantáty vyrobené aditivním modelováním [15]
16/25
Tyto aplikace aditivních technologií nejsou pouze průlomem pro pacienty, ale stejně také pro lékaře,
kteří mohou plánovat své chirurgické postupy efektivněji, to znamená rychleji, přesněji a v konečném
důsledku i levněji, protože zaručuje snížení rozsahu chirurgických zákroků na nezbytné minimum.
Největší pozornost budí ve světě medicíny slovo „bioprinting“ což lze interpretovat jako produkci
lidských orgánů pro transplantace. Orgány by byly vytištěny z genetického materiálu příjemce, takže
by odpadly problémy s reakcí imunitního systému příjemce orgánu. První komerční zařízení dodala na
trh společností Organovo už v roce 2009. V současnosti existují tiskárny, které jsou schopné vytvořit
nejjednodušší tkáně jako kůže, kousky srdečních tkání a očekává se, že tisk celých orgánů jako srdce,
a játra bude možný v průběhu jedné generace. Experimentální tisk ledvin a tisk a implantace
močového měchýře provedl Anthony Atalla [16].
Obr. 19 Výzkum aditivních technologií při tvorbě orgánů (močový měchýř) [17]
4.5 Dopravní prostředky
4.5.1
Letadla
Tisk modelů letadel je v současné době již celkem běžná záležitost. Společnost Airbus však pracuje na
konceptu výroby celých dopravních letadel pomocí 3D tisku s plánem od tisku malých 3D součástek
nyní až po tisk celého letadla okolo roku 2050. Důvody tohoto konceptu jsou takové, že využitím
aditivních technologií zapříčiní levnější výrobu a cca 65% hmotnost než součásti vyrobené tradičními
technologiemi. Další výzvou je výběr správného materiálu pro tisk. Koncept Airbusu má bionickou
strukturu. Vhodné materiály nejsou v současnosti ještě plně vyvinuty, ale pravděpodobně to budou
biopolymery, nebo jiné materiály zpevněné uhlíkovými nanovlákny.
Obr. 20 Funkční model letadla vytovořený aditivním modelováním [18]
17/25
4.5.2 Lodě
V současné době jde o výrobu modelů lodí, nebo ponorek, ale už se objevují i projekty, jejichž cílem je
vytvoření funkčního plavidla. Studenti z University of Washington úspěšně vytvořili první loď pomocí
AM [19].
Obr. 21 Loď vytovořená aditivním modelováním [19].
Vize, kterou nedávno představil think tank Center for International Maritime Security Vojenského
námořnictva jde ještě dále. V jeho vizích jsou vojenské plovoucí továrny, které vyrábějí úplně všechno,
co si žádá moderní námořnictvo. Od jídla až po zbraně a důmyslné roboty, a vesměs na 3D tiskárnách.
Když takové továrně budou docházet suroviny, vyrobí si těžební lodě, které pak nashromáždí potřebné
suroviny z oceánu, jako třeba hořčík pro výrobu elektroniky. Autoři vize věří, že technologie 3D tisku
časem pokročí natolik, že budou existovat gigantické 3D tiskové továrny. Taková zařízení zvládnou
vytisknout kompletně celou válečnou loď anebo i jinou techniku ekonomicky přijatelným způsobem.
4.5.3 Automobily
Společnost RedEye On Demand a její partnerská firma Stratasys začaly spolupráci s KOR EcoLogic na
výrobě URBEE 2. Mělo by jít o první auto vytvořené 3D tiskem, plně funkční, poháněné palivem
a schopné jízdy po silnici. Cílem je představit URBEE 2 na silnicích už za dva roky, což by i tak
představovalo další milník v této technologii. Podle viceprezidenta Stratasys, Jima Bartela, není
budoucnost aut vytvořených 3D tiskem nijak vzdálená. Jim Kor a jeho tým ve společnosti KOR
EcoLogic má dokázat autem URBEE 2, jaké jsou reálné možnosti této technologie. V současné chvíli
však řeší několik drobných detailů v designu, které by doplňková výroba nezvládla. Design URBEE 2
vzniká kompletně v CAD souborech, a v RedEye On Demand, resp. Stratasys, pak vznikají přechodné
modely z termoplastu formou FDM. Kompletní auto sestává z pouhých 40 částí, oproti běžnému autu,
kde je potřeba stovek součástí. Silný, avšak odlehčený vůz by měl dosáhnout rychlosti 113 km/h na
rovné a volné silnici. K pohonu jsou využita biopaliva jako třeba 100% etanol. Cílem je, aby auto dojelo
ze San Franciska do New Yorku na pouhých 10 galonů paliva, což by byl nový světový rekord.
Předchůdcem URBEE 2 byl projekt Urbee 1, jenž se v roce 2011 soustředil především na hlavní a
18/25
pevné části auta. URBEE 2 přebírá základní koncept svého předchůdce, ale přibyly další funkce jako
třeba klimatizace, stěrače nebo zrcátka.
Obr. 22 Vozidlo URBEE [20]
V současnosti jsou AM v automobilovém průmyslu využívány především v oblasti vývoje, nikoliv při
sériové výrobě automobilových komponentů.
4.6 Móda a design
Na počítači se oděv nejen navrhuje, ale do všech detailů popíše, a tento softwarový popis se pošle do
třídimenzionální „tiskárny“, ve které se zhmotní a vychází pak jako hotový, vytvarovaný produkt.
Vyrobit prostorový útvar je ale možné jen z materiálů, které jsou pro tuto technologii vhodné. V oděvní
oblasti jsou to rozmanité polymery (například polyestery, nylony), u kterých se do budoucna počítá
s velkým technologickým rozvojem (pavoučí vlákno).
Technologie 3D také postupně odstraní současnou fragmentaci výroby, při které se zatím dává
přednost sériové výrobě velkého počtu kusů, aby se snížila jejich cena. Jednotlivé kusy se však opět
kvůli ceně vyrábějí na různých místech a pak je nutné je převážet a kompletovat. Při použití plně
integrované 3D technologie je cena za jeden kus stejná jako za tisíc. Výrobu je proto možné mnohem
efektivněji přizpůsobit poptávce.
Technologii 3D použila v oblasti oděvů jako první nizozemská návrhářka Iris van Herpenová. Šaty
začala navrhovat pomocí architektonického softwaru. Její kolekci šatů „Escapism“ vyrobenou
technologií 3D tisku zařadil v roce 2011 časopis Time mezi 50 nejlepších vynálezů roku. Iris, která
spolupracovala mimo jiné s návrhářem Alexandrem McQueenem, si oblíbily i extravagantní zpěvačky
Lady GaGa a Björk. Tato žena reprezentuje nový pohled na módu, neboť kombinuje a propojuje nové
technologie s rukodělnými, řemeslnými prvky. Současně se pohybuje na křehké hranici mezi módou a
uměním.
19/25
Obr. 23 Šaty vytvořené aditivní technologií [21]
4.7
Architektura
Architekti, stavební inženýři a generální dodavatelé staveb používají 3D tiskárny během celého procesu
vzniku nového díla - od koncepčních modelů po řešení technických detailů během průběhu stavby. Je
to výborný nástroj pro vizualizaci díla.
Ještě sále jde Janjaap Ruijssenaars z amsterdamské Universe Architecture. Vytvořil návrh budovy,
kterou bude chtít do dvou let vyrobit v 3D tiskárně. Jde o architektonický skvost připomínající
autodráhu. Budova má tvar nekonečné smyčky, kde se strop mění v podlahu a naopak.
Obr. 24 Architektenická studie domu vytvořeného aditivním modelováním
Tzv. Project - Landscape House chce vyrobit na speciální 3D tiskárně D-Shape od italského vynálezce
Enrica Diniho. Obvykle se můžete setkat s tiskárnami, které vyrábějí plastové drobnosti. D-Shape
dokáže tisknout šestimetrové modely. Dini přitom používá písek a speciální anorganické pojivo, jehož
výsledkem je materiál podobný mramoru. Sám Ital takto vyrábí sochy, bazény, pomníky nebo modely
budov, na obrovskou budovu si ještě netroufnul. Nizozemskému architektovi tak poradil, že by na DShapu měl vytvořit jen formy, které pak vyplní betonem. Janjaap Ruijssenaars věří, že technologie pro
tisk návrhu jeho budovy (resp. jejích částí) bude hotová za dva roky. 3D tisk může kompletně změnit
20/25
stavební obor. Doteď se tiskárny používají jen na tvrobu miniatur, ale v budoucnu si možná jednotlivé
díly skládačky budete moci zakoupit v e-shopu a z nich pak sestavíte celý barák. Ruijssenaarsova
budova je spíš exotická zajímavost, tradiční domky by se pomocí D-Shapu daly vyrobit i dříve než v
roce 2015.
5 Využití aditivních technologií ve strojírenství
Technologie AM v oblasti zpracování kovů se v současnosti velice rozvíjejí. Nyní slouží především pro
účely rapid prototyping (RP). Důvody pro tvorbu prototypů jsou následující:






Nalezení chyb ve výrobní dokumentaci
Nalezení chyb v koncepci
Ověření vyrobitelnosti
Posouzení vzhledu
Ověření vhodnosti pro sériovou výrobu
Reverzní inženýrství
Tyto technologie jsou v současnosti ve větších firmách (především v automotive) již běžné při vývoji
nových výrobků, přestože cena za prototypy je poměrně vysoká. Pomocí AM lze v relativně krátké
době (řádově hodiny) vytvořit z CAD modelu reálný model výrobku.
Obr. 25 Příklad použití rapid prototyping
Pomocí techniky SLS lze vytvářet modely, nebo přímo konečné produkty z kovů.
Pro zpracování kovů lze využít AM buď přímo pomocí Selective Laser Sintering metody, nebo nepřímo,
kdy je pomocí AM zhotovena forma, nebo vytavitený model a požadovaná součást odlita.
21/25
6 Institucionální podpora aditivních technologií
NAMII / USA
The National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) je instituce, která vznika jako reakce
na plán prezidenta Obamy na oživení výroby a průmyslu v USA. Sídlí v Youngstownu ve státě Ohio a
staví na rozsáhlých zkušenostech regionálního clusteru firem ve východním Ohaiu, západní
Pennsylvanie a západní Virginie.
NAMII je společenství partnerů z průmyslu, akademické obce a vlády, kteří spolupracují a sdílejí si
informace. Cílem NAMII je dosáhnout, aby se aditivní technologie staly mainstreamem ve výrobě
v USA a aby aditivní technologie nebyly pouze schopné plnit požadavky průmyslu, ale aby také zvýšily
domácí konkurenceschopnost.
NAMII je vedena National Center for Defense Manufacturing and Machining a je do ní zapojeno 40
společností, 9 universit, 11 neziskových organizací.
Evropská Unie
Evropská unie nepodporuje aditivní technologie speciálním programem, ale v souladu s realizací
Lisabonské agendy, která má za cíl zvýšení technologického vývoje a inovací, lze o podporu požádat
v rámci těchto programů:
Sedmý výzkumný rámcový program
Program pro konkurenceschopnost a inovace
Strukturální fondy
V ostatních státech jsou aditivní technologie podporovány např. ve Velké Británii [22], ale podpora není
zdaleka tak masivní jako v USA. Čína velmi podporuje aditivní technologie, protože se chce stát
technologickou velmocí ve vývoji a aplikování aditivních technologií [23].
Podpora aditivních technologií v ČR
V ČR v současné době neexistuje podpora speciálně pro aditivní technologie. Bylo by však možné
podporovat aditivní technologie a podpory aplikovaného výzkumu v rámci projektů.
MPO - Dobíhají projekty TIP, nová výzva již nebude. Od roku 2014 se počítá s novým programovacím
obdobím a v něm novým programem Inovace pro konkurenceschopnost (bude spadat pod Strukturální
fondy)
TAČR - Dobíhají projekty ALFA, další výzva již nebude. V roce 2013 proběhla druhá a poslední výzva
programu Centra kompetence. Na podzim 2013 se počítá s vyhlášením výzvy nového programu Gama.
MŠMT - Programy na podporu mezinárodní spolupráce:
EUREKA – veřejná soutěž vyhlašována každoročně v létě
EUROSTARS – v roce 2013 již výzva proběhla, čeká na další monitorovací období
KONTAKT II – bilaterální spolupráce se zeměmi:
Čína – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky
Japonsko – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně
Rusko – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně
Izrael – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky
USA – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou ročně
Korea – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky
Indie – probíhá vyhlášení veřejné soutěže jednou za dva roky
GESHER/MOST (česko-izraelská spolupráce) – každoročně na podzim
22/25
7 Významní výrobci a poskytovatelé aditivních
technologií

Stratasys [24] - Výrobce aditivních zařízení z USA.

3T RPD Ltd [25] – Výrobce prototypů z Velké Británie, který vyrábí kvalitní plastové a kovové
části, které nejsou možné tradičním způsobem obrábění.

Redeye [26] - Výrobce prototypů z USA zaměřený na prototyping. Používá technologii FDM a
polyjet (podobné SLA, šířka vrstvy cca 16μm)

3D systems - Výrobce aditivních zařízení z USA.

MakerBot Industries [27] – Výrobce desktopových aditivních zařízení, 3D scanerů a
spotřebního materiálu

Ultimaker [28] – Výrobce aditivních zařízeních pro domácí použití

MCAE Systém [29] – Dodavatel aditivních technologií v ČR

RepRap [30] – Otevřená hardwarová platforma, která umožňuje komukoliv postavit si aditivní
zařízení pracující na principu FDM
23/25
8 Reference
[1] [Online].
http://www.pcmag.com/slideshow_viewer/0,3253,l=293816&a=289174&po=1,00.asp.
Available:
[2] [Online]. Available: http://code80.net/afpr/content/assises/2012/actes/papiers/s1_1.pdf.
[3] S. S. D. D. T. Pham, „Rapid manufacturing, Springer-Verlag,“ 2001.
[4] I. Gibson, Additive Manufacruting Technologies, New York: Springer, 2010.
[5] „http://en.wikipedia.org/wiki/Stereolithography,“ [Online].
[6] „flickr,“ [Online]. Available: http://www.flickr.com/photos/3trpd/.
[7] [Online]. Available: http://boardgamegeek.com/blogpost/15210/predicting-the-future-miniaturesonline-piracy-and.
[8] [Online]. Available: http://www.uni.edu/~rao/rt/casting.htm.
[9] [Online]. Available: http://www.cimquest-inc.com/3DParts/.
[10] [Online]. Available: http://blogs.nasa.gov/cm/blog/garver/posts/post_1361566656804.html.
[11] „První funkční 3D tištěná pistole je ke
http://osel.cz/index.php?obsah=6&clanek=6898.
stažení
na
internetu,“
[Online].
Available:
[12] [Online]. Available: www.examiner.com.
[13] [Online]. Available: http://www.the-gild.com/blog/print-and-go.
[14] [Online]. Available: http://www.bbc.co.uk/news/technology-16907104.
[15] M. H. Elahinia, „Manufacturing and processing of NiTi implants: A review,“ Progress in Materials
Science, pp. 911-946, 6 2012.
[16] [Online]. Available: http://www.ted.com/speakers/anthony_atala.html.
[17] [Online]. Available: http://www.3ders.org/articles/20120629-future-of-medicine-3d-printing-neworgans.html.
[18] [Online]. Available: http://inhabitat.com/the-worlds-first-3d-printed-plane-takes-flight/.
[19] „boat 3D print,“ [Online]. Available: http://blog.makezine.com/2013/05/30/large-format-3dprinting/.
[20] [Online]. Available: http://korecologic.com/media/pictures/.
[21] [Online]. Available: http://gothic.org/headline/fully-printed-3d-dress-modeled-by-dita-von-teese/.
[22] „britain
additive
technologies
support,“
[Online].
http://3dprintingindustry.com/2012/10/24/uk-government-investing-in-3d-printing/.
Available:
[23] E. ANDERSON, Additive Manufacturing in China: Threats, Opportunities, and Developments,
IGCC, 2013.
[24] „stratasys,“ [Online]. Available: http://www.stratasys.com.
[25] „3T RPD,“ [Online]. Available: http://www.3trpd.co.uk/.
[26] „Redeye,“ [Online]. Available: http://redeyeondemand.com.
[27] „markerbot,“ [Online]. Available: http://www.makerbot.com/.
[28] „ultimaker,“ [Online]. Available: http://www.ultimaker.com/.
[29] „mcae,“ [Online]. Available: http://www.mcae.cz/.
[30] „reprap,“ [Online]. Available: http://reprap.org/wiki/Main_Page.
[31] [Online]. Available: http://code80.net/afpr/content/assises/2012/actes/papiers/s1_1.pdf.
24/25
[32] [Online]. Available: www.examiner.com.
25/25