Wikipedia: fakt czy fikcja – drukowanie przestrzenne

Loudwire to jeden z najważniejszych portali internetowych poświęconych muzyce rockowej i metalowej. Jedną z najpopularniejszych pozycji w serwisie jest „Wikipedia: Fact or Fiction” – seria wywiadów z muzykami, podczas których konfrontowane są informacje na ich temat zamieszczone w Wikipedii z prawdą historyczną. Zainspirowany tym cyklem, postanowiłem przyjrzeć się szerzej definicji druku 3D w polskiej Wikipedii i również porównać to z rzeczywistością. Rezultaty okazały się dość zaskakujące…

Wikipedia to obecnie najważniejsze źródło informacji w internecie. Nie jest jednak pozbawiona wad… Jak wszyscy zapewne wiecie, treści Wikipedii są moderowane przez wolontariuszy, których wiedza w danym temacie niekoniecznie musi stać na eksperckim poziomie. Nie ma się temu też co dziwić – za swoją pracę nie pobierają wynagrodzenia, a jej jakość jest tylko tak dobra, jak dobre są kompetencje danej osoby. Generalnie znakomita większość artykułów stoi na wysokim poziomie, jednakże bywa, że wśród nich pojawiają się rzeczy, które w najlepszym przypadku wzbudzają uśmiech politowania, a w najgorszym – są po prostu szkodliwe.

Kilka miesięcy temu świat druku 3D został poruszony zamieszaniem związanym z oficjalnym artykułem nt. Projektu RepRap, zamieszczonym na anglojęzycznej wersji Wikipedii. Do lutego br. definicja ta liczyła ponad 30.000 słów, jednakże jeden z redaktorów powycinał wszystkie fragmenty nieposiadające dokładnego źródła, przekształcając bogate opracowanie w krótką i zwięzłą definicję. Na dodatek pomieszał niektóre zagadnienia dotyczące Projektu RepRap z działalnością firmy RepRapPro Adriana Bowyera. Ostatecznie, po licznych interwencjach członków społeczności druku 3D oraz redaktorów czołowych portali internetowych zajmujących się tą tematyką, artykuł został poszerzony w stosunku do edytowanej wersji, lecz w dalszym ciągu wiele mu brakuje do wersji pierwotnej.

Jak zatem widać na tym przykładzie, to co czytamy w Wikipedii zależy w dużej mierze od podejścia, bądź „widzimisię” danego redaktora i niekoniecznie musi być prawdziwe. Chociaż warto pamiętać, że opisany powyżej przypadek to jednak anomalia i problem dotyczy jedynie niewielkiego procenta treści Wikipedii.

Wróćmy jednak do meritum mojego artykułu, czyli zestawienia polskiej definicji druku 3D z rzeczywistością. Będziemy analizować każdy kolejny akapit i sprawdzać czy jest on prawdziwy?

Drukowanie przestrzenne (ang. 3D printing) – proces wytwarzania trójwymiarowych, fizycznych obiektów na podstawie komputerowego modelu. Początkowo była to jedynie jedna z metod szybkiego prototypowania używana zarówno do budowania form i samych prototypów. Wraz z postępami dokładności wykonania obiektów przez drukarki 3D, stała się to także metodą wykonywania gotowych obiektów, w tym zabawek, ubrań, czekoladek, a nawet protez.

Niestety już pierwszy akapit budzi kontrowersje… O ile dwa pierwsze zdania są poprawne, o tyle trzecie zdanie mówiące o wykonywaniu za pomocą technologii przyrostowych „gotowych obiektów„, „zabawek„, „ubrań” czy „czekoladek„, wzbudza politowanie… Po pierwsze, jakbyśmy na to nie spojrzeli, prototypy to jak najbardziej gotowe obiekty, tyle tylko że wykonane w ilościach jednostkowych. Po drugie, wykorzystywanie drukarek 3D do produkcji zabawek czy ubrań ma miejsce, ale ma w dalszym ciągu charakter jednostkowy i pokazowy. Natomiast drukowanie czekoladek to obszar, na którym potknęły się nawet takie firmy jak 3D Systems i Hershey’s, a urządzenia które mogą to robić albo w ogóle nie trafiły na rynek, albo stanowią ciekawostkę, o której mało kto słyszał. Poza tym w niektórych krajach (jak np. w Polsce), drukowanie czekoladek czy produktów spożywczych w ogóle, jest ściśle regulowane prawnie czyniąc to wielce problematycznym.

Jeśli chodzi o protezy, to jest to jeden z ważniejszych obszarów wykorzystywania drukarek 3D w medycynie i zestawienie tego w jednej linii z czekoladkami bądź ubraniami jest, co najmniej, niestosowne. Tak jak okraszanie tej informacji frazą „a nawet„, gdyby było to czymś wyjątkowym… Szkoda, że nie pojawiło się w tym akapicie nic o wykorzystaniu druku przestrzennego w lotnictwie, motoryzacji, czy przemyśle ciężkim? No ale przejdźmy dalej – może później jeszcze coś o tym przeczytamy…?

Historia

Pierwsza technika drukowania przestrzennego została opracowana w 1984 roku przez Charlesa Hulla i opatentowana w 1986 roku jako Stereolitografia (SLA). W tym samym roku Charles Hull założył firmę 3D Systems, która zajęła się komercyjną produkcją pierwszych drukarek 3D. W ramach 3D Systems opracowano stosowany do dziś format pliku STL, który jest używany do przekazywania instrukcji drukarkom przestrzennym.

Ponownie dwa pierwsze zdania są poprawne, ale trzecie już nie do końca. Format STL Hull opracował niezależnie od zakładania 3D Systems. Nie służy on do przekazywania instrukcji drukarkom 3D, gdyż za to odpowiada GCode generowany przez oprogramowanie drukarki 3D na podstawie pliku STL. Więcej na temat formatu STL oraz GCode przeczytacie tutaj.

Kolejna technika wydruku – osadzanie topionego materiału (FDM) – została opracowana w 1988 roku przez Scotta Crumpa, który rok później założył firmę Stratasys, chociaż swoją pierwszą maszynę „3D Modeler” zaczęli sprzedawać w 1992 roku. W tym samym roku powstała także pierwsza drukarka stosująca technikę Selective laser sintering. Jest to technika dokładniejsza i dająca większą swobodę niż FDM, jednak póki co niedostępna dla użytkowników domowych.

Twórca artykułu wciąż trzyma się zasady 2+1. Informacje na temat technologii FDM i SLS są poprawne (chociaż dość ubogie jak na standardy encyklopedyczne), ale stwierdzenie że „SLS jest techniką dokładniejszą i dającą więcej swobody niż FDM„, a na dodatek nie da się jej używać w domu, jest dość infantylne. SLS to profesjonalna technologia przemysłowa, posiadająca pewne oczywiste przewagi na FDM, jednakże nie ma to związku z jakąkolwiek „swobodą” użytkowania. Dopracowanie do perfekcji procesu drukowania w technologii SLS wymaga z jednej strony zapewnienie określonych warunków w pomieszczeniu, w którym pracuje drukarka 3D, a z drugiej strony wiedzy i doświadczenia w pracy z samym urządzeniem.

W 2006 roku Adrian Bowyer buduje pierwszy prototyp drukarki 3D, która w zamyśle ma stać się urządzeniem dla użytkowników domowych. W ramach zainicjowanego przez niego projektu RepRap tworzone są kolejne modele drukarek 3D, które można złożyć i częściowo wytworzyć w domu. Docelowo drukarki te miałyby się same powielać, jednak na razie przeszkodą są głównie części elektroniczne i precyzyjne części mechaniczne (silniki krokowe). Projekt jednak osiąga częściowo swoje cele, ponieważ w roku 2013 zestaw do samodzielnego montażu drukarki RepRapPro Huxley kosztował ok. 430 USD, a z elementami, które można wydrukować samodzielnie ok. 540 USD.

Trzecie zdanie ponownie zadziwia…? Nie rozumiem, dlaczego problemem w Projekcie RepRap miałyby być akurat części elektroniczne lub silniki krokowe (tzw. „precyzyjne części mechaniczne„)? Generalnie akapit jest poprawny, tylko ponownie autor jedynie sygnalizuje istnienie pewnego zagadnienia, pomijając ważne szczegóły.

Na początku XXI wieku rozpoczęły się prace nad zastosowaniem technik podobnych do wydruku 3D w medycynie. Z powodzeniem można już wytwarzać ściśle dopasowane protezy (w tym te wszczepiane w organizm), a nawet tkanki, ale wyzwaniem pozostaje drukowanie całych organów.

Akapit poprawny, chociaż brakuje w nim ważnych informacji na temat drukowania 3D prototypów indywidualnych implantów medycznych, bądź końcowych implantów z metalu. W kontekście braku tej informacji, pisanie o biodrukowaniu 3D, które wciąż jest w fazie testów i badań jest cokolwiek zbędne (to uzupełnienie tej informacji, a nie jej podstawa).

Możliwości wykorzystania drukarek przestrzennych zależą głównie od metody wytwarzania produktu, dostępnych materiałów oraz częściowo kubatury urządzenia. W przypadku FDM na to jakie materiały można wykorzystać wpływa w dużej mierze temperatura do jakiej może się rozgrzać wytłaczarka i od jej budowy. W metodach, w których przedmiot jest cały czas zawieszony w innej substancji (jak w SLA oraz Selective laser sintering), ograniczeniem jest też to, że nie można tworzyć zamkniętych przestrzeni z pustym wnętrzem. Natomiast na precyzję wykonania wpływa głównie dokładność pozycjonowania elementów sterujących oraz sam materiał z jakiego wykonywany jest przedmiot.

Raz dobrze, dwa dobrze i trzy… ponownie źle. Po pierwsze, w technologii SLS drukowany detal nie jest „zawieszony w innej substancji„. W komorze roboczej rozsypywane jest sproszkowane tworzywo sztuczne, które jest selektywnie spiekane laserem, tworząc kolejne warstwy drukowanego modelu. Po drugie, w technologii SLA (jak również DLP i pokrewnych), detal „zawieszony” jest w dokładnie tej samej substancji, z której jest drukowany, czyli żywicy światłoutwardzalnej. Nie do końca prawdą jest również stwierdzenie, że w technologii SLS nie można tworzyć zamkniętych przestrzeni z pustym wnętrzem – po prostu po wydrukowaniu modelu można wywiercić w nim otwór i wysypać niespieczony proszek. Oczywiście jest to problematyczne i przy drobnych detalach może być niemożliwe, ale kategoryczne stwierdzenie, że nie można tego robić jest nieprawdziwe.

Zastosowania

Za pomocą różnego rodzaju drukarek 3D można wytworzyć:

• gotowe produkty z tworzywa sztucznego;
• produkty wymagające obróbki (szczególnie w FDM może być konieczne przycięcie łączników i kolumienek oraz wygładzenie powierzchni);
• inne przedmioty z topliwych materiałów w tym z czekolady czy metalu;
• elementy innych przedmiotów;
• prototypy i inne produkty koncepcyjne;
• formy do wykonania właściwych elementów lub prototypów;
• w ograniczonej formie także różnego rodzaju tkanki.

Tym razem prawie dobrze, ale wciąż daleko od doskonałości. Lista jest mocno wybiórcza i jej autor ponownie skupia się na szeregu mało istotnych kwestii, pomijając te ważne i istotne (wspomniane wcześniej rozwiązania dla branży lotniczej, automotive, przemysłowej czy medycznej). Zestawienie w jednym podpunkcie druku 3D z metalu i czekolady to absolutne kuriozum, dyskwalifikujące autora tego zapisu jako redaktora Wikipedii. Pomijając, że są to dwa całkowicie odmienne procesy produkcyjne (czekoladę ekstruduje się przez głowicę drukującą w podobny sposób jak w technologii FDM, a druk 3D z metalu to po prostu zmodyfikowana technologia SLS), to metal stanowi jedną z najważniejszych gałęzi rozwoju branży technologii przyrostowych, a czekolada to wciąż tylko pole do eksperymentów.

Materiały

W domowych drukarkach przestrzennych używa się przed wszystkim tworzyw sztucznych takich jak: PLA, ABS, PVA, nylon, Laywood (materiał drewnopodobny, kompozyt plastiku i drewna), Laybrick (kompozyt plastiku i gipsu). Drukarki przemysłowe i mniej typowe modele mogą używać innych materiałów np.: żywic, gumy czy też czekolady lub metalu a nawet betonu albo papieru. Trwają także prace nad możliwością druku 3D z grafenu. W pełni kolorowe modele można uzyskać dzięki technologii CJP (ColorJet Printing), w której materiał proszkowy, oprócz tego, że jest spajany lepiszczem, jest też barwiony tuszami CMYK.

Kompletne pomieszanie z poplątaniem. Domyślam się, że pisząc o „domowych drukarkach przestrzennych” autor miał na myśli technologię FDM? Jeśli tak, warto byłoby gdyby o tym napisał. Inna sprawa, że druk 3D z nylonu w warunkach domowych jest dość kontrowersyjnym pomysłem (tzn. można, ale czy powinniśmy drukować z tego tworzywa akurat w domu?). Ponowne zestawienie w jednej linii „żywic, gumy czy też czekolady lub metalu a nawet betonu albo papieru” udowadnia, że autor artykułu nie ma pojęcia o czym pisze. Czekolada lub beton to materiały eksperymentalne, które próbuje się wdrożyć do poważniejszych procesów technologicznych. Zestawianie ich z żywicami lub metalem stanowiącymi jedne z fundamentów technologii przyrostowych jest… co najmniej niewłaściwe.

Zagrożenia

Spekuluje się, że drukowanie przestrzenne mogłoby służyć do produkcji broni poza kontrolą prawa. Udaną próbę zbudowania broni z części powstałych poprzez drukowanie przestrzenne dokonała grupa Defense Distributed. Jednak drukarki dostępne dla użytkowników domowych nie pozwalają na drukowanie metalowych elementów, a tańsze urządzenia do obróbki metalu są dostępne od dawna. Wytwarzanie broni palnej bez zezwolenia jest nielegalne w większości krajów – niezależnie od narzędzi jakimi je wykonano. Ponadto urządzenia domowe wciąż są dalekie od wysokiej precyzji wykonania.

Temat druku 3D broni był wałkowany do znudzenia w latach 2013-2014. Mimo obaw różnych osób, nigdy się nie spopularyzował i raczej nie zanosi się tutaj na jakąkolwiek zmianę. Owszem, w różnych miejscach na świecie (np. w Filadelfii, w USA) druk 3D broni jest zakazany, ale to raczej odosobnione przypadki. Sformułowanie, że „drukarki dostępne dla użytkowników domowych nie pozwalają na drukowanie metalowych elementów, a tańsze urządzenia do obróbki metalu są dostępne od dawna” jest absurdalne. Druk 3D z metalu z uwagi na swoją specyfikę i koszty nigdy nie będzie technologią domową. Trudno też wyobrazić sobie, aby w domach korzystać z „tańszych urządzeń do obróbki metalu” – czyli frezarek CNC [SIC!].

Podsumowanie

Polska definicja druku przestrzennego na Wikipedii jest fatalna. Wymaga poważnej korekty, jeśli nie całkowitej zmiany. Autor (autorzy?) tworzący artykuł nie posiadał elementarnej wiedzy na ten temat w trakcie jego tworzenia. Jest pełen błędów merytorycznych. znalazły się w nim informacje trzecio- lub czwartorzędne, z kolei informacje istotne zostały całkowicie pominięte. Pomijam słabe walory językowe tego artykułu…

Szkoda, ponieważ wiele początkujących osób czerpie z niego wiedzę na temat druku przestrzennego, dowiadując się m.in. że druk 3D z czekolady jest czymś powszechnym, a największym problemem z drukarką 3D jest ryzyko wydrukowania z niej broni palnej.

Osobiście bardziej obawiałbym się oparów powstających w trakcie przetapiania termoplastów w technologii FDM, bądź kwestii recyclingu resztek użytych tworzyw sztucznych, żywic lub proszków poliamidowych. No ale nie jestem redaktorem Wikipedii tylko skromnego Centrum Druku 3D, więc co ja tam mogę wiedzieć…?