Wprowadzenie do technologii CJP

Technologia druku 3D mimo wielu swoich niekwestionowanych zalet ma też pewną wadę – jest w dużej mierze jednokolorowa. Może ten problem nie jest aż tak istotny, aby miał ją w jakikolwiek sposób dyskwalifikować – koniec końców jednokolorowa jest także obróbka CNC, odlewnictwo czy technologia wtrysku. Jednakże na przestrzeni lat wiele osób wskazywało na ten aspekt jako brak czegoś, co byłoby bardzo przydatne w określonych aplikacjach.

O ile w przypadku technologii SLA / DLP, gdzie utwardzamy żywicę fotopolimerową znajdującą się w zbiorniku wiązką lasera lub światła, czy w spiekach tworzyw sztucznych lub metali kolorowanie kwestia kolorowania wydruków 3D jest niemożliwa z powodów technologicznych, o tyle w przypadku innych metod wytwarzania przyrostowego kolejne firmy lub start-upy próbowały wprowadzić w tym obszarze znaczące innowacje. Pierwszą firmą, której się to udało, była amerykańska Z Corporation.

W roku 1993 grupa naukowców z Massachusetts Institute of Technology (MIT) opracowała metodę tworzenia modeli przestrzennych z proszku gipsowego, spajanego selektywnie natryskiwanym lepiszczem. Do pracy wykorzystali technologię znaną z drukarek atramentowych, które w tym rozwiązaniu zamiast atramentu na papier nanosiły klej na proszek gipsowy.

Początki technologii wytwarzania modeli 3D z proszku gipsowego i narodziny określenia „druk 3D”

Twórcami tej technologii była czwórka naukowców: Emanuel „Ely” M. Sachs, John S. Haggerty, Michael J. Cima i Paul A. Williams. Pierwszy z nich – Ely Sachs, jako pierwszy w historii nazwał metodę addytywną mianem „druku 3D”. Co ciekawe, przez szereg kolejnych lat nazwa „3D printing technology” (w skrócie 3DP) była przypisywana stricte temu rozwiązaniu. Dopiero z czasem termin ten przylgnął na stałe do opisywania wszystkich technologii przyrostowych, stając się tym, czym jest obecnie.

Patent na technologię 3DP został zgłoszony 9 kwietnia 1993 r., a opublikowano go 23 sierpnia 1994 r. Otrzymanie patentu było bodźcem do założenia firmy produkującej urządzenia wykorzystujące tą metodę w pracy. Przedsiębiorstwo o nazwie Z Corporation oficjalnie rozpoczęło swoją działalność operacyjną w 1996 r., stając się wkrótce jednym z głównych graczy na rynku.

W początkowym okresie swojego istnienia, drukarki 3D drukujące w technologii 3DP drukowały modele przestrzenne z białego proszku. To zmieniło się dopiero w 2000 r., gdy Z Corporation zaprezentowało maszynę o nazwie Z402C, która jako pierwsza drukarka 3D na świecie była w stanie tworzyć modele przestrzenne w pełnym kolorze. Co ciekawe, w tym samym roku izraelska firma Objet zaprezentowała po raz pierwszy metodę druku 3D z żywic fotopolimerowych utrwalanych światłem UV, nanoszonych w podobny sposób.

Nowe rozwiązanie Z Corp nie odbiegało znacząco od pierwotnego konceptu. Ten sam proszek gipsowy, na który nanoszono selektywnie lepiszcze, był w tym samym procesie barwiony atramentem, co jednoznacznie przywodziło na myśl klasyczne drukarki 2D.

Rok później, podczas targów Euromold, firma przedstawiła kolejną maszynę – Z810, o obszarze roboczym 50 x 60 x 40 cm, wyposażoną w sześć głowic drukujących od HP. Na przestrzeni kolejnych lat w ofercie firmy pojawiły się jeszcze dwie nowe maszyny. W lipcu 2005 r. duński producent wielkoformatowych skanerów – Contex Scanning Technologies, przejął Z Corporation, w dalszym ciągu rozwijając jego technologię.

Przejęcie Z Corporation przez 3D Systems

Współpraca pomiędzy Amerykanami a Duńczykami trwała zaledwie nieco ponad pięć lat. W listopadzie 2011 r. 3D Systems – pierwsza firma produkująca drukarki 3D w historii oraz jeden z absolutnych liderów rynku, ogłosił przejęcie Z Corporation za kwotę 152 mln dolarów. Transakcja została sformalizowana z początkiem 2012 r., a w przeciągu kolejnych kilkunastu miesięcy podmiot uznawany za pioniera twórca technologii druku 3D z proszku gipsowego został oficjalnie włączony wdrożony w struktury 3D Systems.

Technologia 3DP zmieniła nazwę na CJP (color jet printing), a linia maszyn drukujących w tej technologii otrzymała nazwę ProJet (zaadaptowaną później także do drukarek 3D pracujących w technologii MJM / MJP).

Technologia CJP stała się głównym standardem wykonywania pełnokolorowych modeli przestrzennych, wykorzystywanych zarówno w aplikacjach profesjonalnych (przemysł i medycyna), jak również rozrywkowych (drukowanie figurek – w tym rzeczywistych osób, których wizerunek został zeskanowany w technologii 3D).

Czym jest technologia CJP i jak działa?

Proces druku 3D rozpoczyna się od naniesienia warstwy proszku gipsowego, która jest rozprowadzana przez walec na powierzchni stołu roboczego drukarki 3D. Następnie nad warstwą proszku przechodzi głowica drukująca, która selektywnie natryskuje lepiszcze i kolor. Lepiszcze powoduje, że proszek wiąże się ze sobą i zabarwia na żądany kolor. Gdy proces jest zakończony, nanoszona jest kolejna warstwa proszku i proces się powtarza aż do wydrukowania całego modelu.

Niesklejony proszek pełni funkcję podpór pod fragmentami drukowanego modelu, dzięki czemu można drukować praktycznie dowolne geometrie, bez obaw, że fragmenty modelu zawalą się pod wpływem grawitacji, lub że z trudno dostępnych fragmentów nie będzie można usunąć struktury podporowej. Po zakończonym procesie wydruku 3D, model (lub modele) wyciąga się z proszku i oczyszcza z jego drobinek w myjce, używając do tego sprężonego powietrza. Po ich oczyszczeniu, modele zanurza się (kąpie) w specjalnych roztworach chemicznych, co zwiększa ich wytrzymałość mechaniczną oraz wyostrza kolory.

Proces druku 3D w technologii CJP nie jest termiczny i co za tym idzie, proszek który nie został spojony lepiszczem, może być ponownie wykorzystany bez utraty jakichkolwiek właściwości fizycznych (dla porównania w technologii SLS, niewykorzystany proszek, który był użyty w procesie druku 3D, musi zostać wymieszany z nowym, ponieważ do pewnego stopnia się degraduje).

Zaletami technologii CJP – oprócz oczywistego faktu jakim jest naniesienie koloru, są m.in.:

szybki czas druku 3D
nieskomplikowany post-processing
możliwość drukowania dowolnie skomplikowanych geometrii
100% odzyskania materiału budulcowego, użytego w procesie drukowania.

Wadą jest sam fakt, że otrzymane modele 3D mają postać gipsowych wydruków – nie mogą być wykorzystane w aplikacjach mechanicznych, służą jedynie do wizualizacji danego modelu 3D.

Obszary wykorzystania technologii CJP

CJP znajduje zastosowanie wszędzie tam, gdzie trzeba stworzyć model przestrzenny w pełnym kolorze. Idealnie sprawdza się przy drukowaniu wszelkiego rodzaju wizualizacji produktowych, które oprócz geometrii odwzorowują ich kolorystykę.

W medycynie, za pomocą kolorowych wydruków 3D można prezentować wybrane obszary ciała pacjenta (głównie kości i narządów wewnętrznych) z zaznaczeniem fragmentów, które są chore / uszkodzone lub wymagają specjalistycznego leczenia. Tego typu modele pozyskuje się na podstawie tomografii komputerowej (DICOM), a następnie na skutek ich specjalistycznej obróbki nanosi się informacje w formie różnych kolorów, które są odwzorowywane na finalnym modelu. Technologia jest także stosowana w medycynie estetycznej, gdzie chirurdzy planujący operację plastyczną mogą najpierw zeskanować pacjenta, komputerowo zamodelować planowane zmiany wyglądu po operacji, a na koniec wydrukować model przedstawiający oczekiwany wygląd po zabiegu.

W muzealnictwie i archeologii można odtwarzać cenne eksponaty i prezentować je w zastępstwie oryginałów. Kluczowe w tej dziedzinie jest odwzorowywanie niedostępnych na co dzień miejsc – scen podwodnych (wraków, skał) czy też bardzo dużych, nie możliwych do przeniesienia budynków, szczątków czy scenerii.