Perspektywy rozwoju druku 3D po pandemii

O druku 3D było ostatnio głośno w związku z jego zastosowaniem w walce z epidemią koronawirusa [1]. Na razie ta metoda wytwarzania ma niewielki udział w gospodarce światowej, ok. 1%, ale burzliwie się rozwija. Okazuje się, że co prawda wybuch pandemii zahamował rozwój wielu firm zajmujących się drukiem 3D, ale jednocześnie pozwolił na prezentację zalet tej metody wytwarzania i zaowocował wzrostem zainteresowania nią wśród przedsiębiorców i inwestorów. Warto podkreślić, że wraz ze sztuczną inteligencją, nano- i biotechnologią, robotyzacją oraz kilkoma innymi dziedzinami druk 3D jest elementem trzeciej (niektórzy mówią, że czwartej) rewolucji przemysłowej.

Druk 3D (ang. 3D printing, 3DP), wytwarzaniem addytywnym (ang. Additive Manufacturing, AM), to – mówiąc w skrócie – tworzenie obiektu przez nakładanie kolejnych warstw na podstawie modelu cyfrowego. Jest to na ogół metoda bardzo ekologiczna, bo wytwarza mało odpadów w odróżnieniu od wytwarzania subtraktywnego, polegającego na usuwaniu kolejnych warstw materiału z bloku wyjściowego, np. przy skrawaniu czy rzeźbieniu. Obecnie termin „wytwarzanie addytywne” stosuje się na ogół w odniesieniu do zastosowań przemysłowych, a o druku 3D mówi się w przypadku innych zastosowań lub na określenie całej dziedziny.

Ta metoda wytwarzania znalazła liczne zastosowania dzięki takim zaletom, jak:

• możliwość uzyskiwania obiektów o bardzo skomplikowanych kształtach, również z pustymi przestrzeniami w środku lub takich, których fragmenty mogą się poruszać względem siebie. Dzięki temu w branży lotniczej i motoryzacyjnej można z jednej strony uzyskiwać dużo lżejsze części, a z drugiej – scalać kilka części. Najbardziej znanym przypadkiem wykorzystania takich możliwości była opracowana przez GE i wydrukowana w 3D dysza silnika odrzutowca składająca się z jednej zamiast 19 części o bardzo skomplikowanych kształtach. Ten przykład pokazuje, że skomplikowany kształt obiektu nie jest żadnym ograniczeniem w 3DP, ani nie wiąże się z wyższym kosztem wytworzenia;
• możliwość produkcji bez narzędzi – co doceni każdy inżynier, który miał do czynienia z uruchamianiem nowej produkcji przemysłowej;
• niższy koszt przedmiotów wykonanych metodą 3DP, zwłaszcza jeśli są zaprojektowane z wykorzystaniem specyfiki tej metody (z użyciem wysoko wyspecjalizowanych metod designu, jak design generatywny, design topologiczny czy też design optymalizowany ze względu na wagę obiektu);
• niski koszt produkcji mało- i średnioseryjnej;
• efektywne użycie drogich materiałów – zamiast je usuwać jak rzeźbiarz z bloku marmuru, stosuje się ich tylko tyle, ile potrzeba;
• ograniczenie ilości odpadów. 3DP ma więc ekologiczny charakter, ponieważ wytwarzaniu towarzyszy powstawanie dużo mniejszej ilości odpadów niż przy tradycyjnych metodach produkcji;
• personalizacja produktu (przewidziana przez Alvina Tofflera w Szoku przyszłości już w 1970 r.) bardzo korzystna nie tylko w medycynie, ponieważ pozwala na niedrogie dopasowanie produktu do wymagań klienta.

Oczywiście 3DP ma również wady. Jedną z najważniejszych jest to, że przyczynia się do likwidacji miejsc pracy, głównie przez wprowadzanie do produkcji wydrukowanych robotów (rys. 1). Szczególnie interesujący jest niszczący (ang. disruptive) wpływ 3DP, który zresztą wywiera każda naprawdę nowatorska technologia. Cechę tę najlepiej ilustruje upadek firmy Kodak po wprowadzeniu możliwości robienia zdjęć przez smartfony.

 

Rys. 1. Audi RSQ wyprodukowano z użyciem przemysłowego robota KUKA do szybkiego prototypowania. Eirik Newth – Flickr [2]

 

Bardzo ciekawe są implikacje 3DP dla prawa. Łatwość skopiowania luksusowego towaru i jego podrobienia z wykorzystaniem 3DP niewątpliwie utrudni funkcjonowanie tego segmentu rynku. Skomplikowane jest zdefiniowanie, co w przypadku wydrukowanych w 3D obiektów jest dziełem sztuki i jaki jest zakres prawa własności intelektualnej do takich tworów.

Problemy prawne związane z 3DP dobrze ilustruje historia figurek pokemonów firmy Nintendo. Argentyński artysta Flowalistik zmodyfikował je i umieścił na swoim portalu wraz ze zgodą na kopiowanie w ramach licencji Creative Commons (rys. 2). Znaczyło to, że można te figurki kopiować i zmieniać, ale nie wolno ich sprzedawać. Firma Nintendo nie protestowała – może uznała działalność artysty za rodzaj bezpłatnej reklamy. Problem pojawił się, gdy zmienione figurki Flowalistika były sprzedawane np. w New Delhi. Jak w tej sytuacji wyglądają prawa autorskie Flowalistika? Co na to Nintendo? Wszystko to stanowi bardzo skomplikowany problem prawny.

 

Rys. 2. Figurki pokemonów zmodyfikowane przez artystę Flowalistika [3]

 

Na początku (od końca lat osiemdziesiątych do początku lat dwutysięcznych) drukarki 3D były bardzo drogie i ta metoda wytwarzania była stosowana głównie do projektowania i budowy prototypów (ang. rapid prototyping). W branży kosmicznej, lotniczej czy motoryzacyjnej wysoka cena drukarek 3D nie stanowiła istotnego ograniczenia, ponieważ drukowanie prototypów bardzo usprawniało wprowadzanie nowych modeli.

Następnym etapem było zastosowanie 3DP do wytwarzania narzędzi (ang. rapid tooling), co pozwala na znaczne przyspieszenie wprowadzania do produkcji nowego asortymentu. Obecnie mamy do czynienia z kolejnym etapem rozwoju 3DP – szybkim wytwarzaniem (ang. rapid manufacturing), czyli wprowadzaniem tej metody do produkcji wielkoseryjnej. Dzisiaj 3DP to nie tylko sposób produkcji, ale ogromna ilość technologii wytwarzania, materiałów do druku oraz oprogramowania do designu, produkcji i jej organizacji, wykańczania (ang. postprocessing) itd.

Można spojrzeć na tę dziedzinę jako na pole walki między zwolennikami dzielenia się wiedzą bez ograniczeń, jak to robili np. twórcy Linuxa, a przedsiębiorcami, którzy – jak rozwijający Windowsy Microsoft – chcą na wiedzy zarabiać. W dziedzinie komputerów osobistych ilustruje to opisany w fascynującej biografii założyciela firmy Apple autorstwa Waltera Isaacsona konflikt między Stevem Jobsem a Stevem Wozniakiem. Ten drugi – genialny inżynier polskiego pochodzenia – był zwolennikiem rozdawania swoich schematów układów elektronowych, podczas gdy Steve Jobs chciał na nich zarabiać. Musieli się więc rozstać.

Jak wspomniano, na początku drukarki 3D były bardzo drogie. Stać na nie było biura projektowe przemysłu motoryzacyjnego i lotniczego oraz bogate instytucje naukowe. Było tak do czasu opracowania tanich drukarek 3D i oprogramowania do nich w ramach projektu RepRap Anglika Dr. Adriana Bowyera. Te urządzenia doprowadziły do upowszechnienia druku 3D. Innym motorem rozwoju tej metody wytwarzania były: wygaszanie patentów i jej liczne zastosowania oraz w znacznej mierze bezpłatne udostępnianie wzorów na platformach internetowych.

Na początku nie korzystano w pełni z wyjątkowych właściwości 3DP: drukowano głównie z plastiku w najprostszej technologii FDM/FFF, używano standardowych programów do projektowania CAD, a większość zastosowań – poza prototypowaniem – ograniczała się do wytwarzania gadżetów. Jednak lawinowy wzrost możliwych zastosowań w wielu gałęziach przemysłu, medycynie, edukacji i sztuce oraz lepsze zrozumienie specyfiki tej metody w porównaniu z tradycyjną produkcją spowodowały:

● rozwój różnorodnych technik wytwarzania przyrostowego,

● rozwój oprogramowania, które wykroczyło poza standardowe programy CAD; zaczęło powstawać specjalistyczne oprogramowanie DfAM (Design for AM),

● opracowanie nowatorskich materiałów do druku, używanie nie tylko plastików lecz również metali, materiałów ceramicznych, kompozytowych, hydrożeli oraz reagujących (ang. responsive) polimerów,

● w medycynie m.in. wykorzystanie personalizacji produktów oraz drukowanie komórkami, co pozwala żywić nadzieję na zastąpienie w przyszłości brakujących organów do transplantacji pobranych od ludzi, organami wydrukowanymi w 3D,

● zmianę podejścia do druku 3D i wprowadzanie tej technologii do produkcji średnio- i wielkoseryjnej.

Fascynujące są zastosowania druku 3D w wielu dziedzinach. W lotnictwie, motoryzacji i kosmonautyce ogromnym plusem jest możliwość wytwarzania części, a nawet całych fragmentów, np. silników, lżejszych niż w konstrukcjach tradycyjnych, co z jednej strony pozwala zaoszczędzić bardzo drogi tytan i inne materiały, a z drugiej prowadzi do redukcji zużycia materiałów pędnych i, w konsekwencji, do mniejszego zanieczyszczenia środowiska. W budownictwie metoda ta pozwala wznosić budynki o nietypowych kształtach i często niższym kosztem, w przemyśle spożywczym – wypiekać pizzę (był to program agencji kosmicznej NASA), robić efektowne słodycze lub przygotowywać apetyczne posiłki dla osób mających problemy z połykaniem. W modzie dzięki 3DP kreuje się intrygujące stroje (rys. 3).

 

Rys. 3. Wydrukowany w 3D strój projektu Olega Soroko

 

Osobne miejsce zajmują zastosowania medyczne 3DP. Obejmują one wiele działów opieki zdrowotnej. Jednym z nich jest planowanie operacji chirurgicznych z użyciem wydrukowanych modeli miejsca operacji, np. guza na nerce. Powstają one na podstawie tomografii komputerowej lub rezonansu magnetycznego. Pozwala to na znaczne skrócenie czasu operacji i obniżenie jej kosztów oraz skrócenie rekonwalescencji i zwiększenie komfortu pacjenta. Inną dziedziną, w której stosuje się 3DP, jest wytwarzanie implantów i protez. Ta technika umożliwia dopasowanie implantu do konkretnego pacjenta. Implant przygotowuje się na podstawie np. zdjęć rentgenowskich.

Możliwe jest również inne, tańsze podejście. Już w 2018 r. szwedzka firma Arcam – obecnie wykupiona przez koncern GE – chwaliła się 100 000 wstawionych pacjentom protez biodrowych wydrukowanych w 3D [4]. Było to możliwe, ponieważ protezy te drukowano w bardzo gęstej siatce rozmiarów, dużo gęstszej niż siatka stosowana przy standardowej produkcji.

Warto podkreślić, że jedyną jak dotychczas dziedziną całkowicie przejętą przez druk 3D jest wytwarzanie aparatów słuchowych, następna w kolejce do przejęcia przez 3DP jest stomatologia. Nie sposób wymienić tutaj wszystkich zastosowań medycznych druku 3D, warto jednak podkreślić, że nawet jeśli przy wytwarzaniu jakiegoś urządzenia medycznego nie stosowano dotąd tej metody, to najprawdopodobniej wykorzystano ją do przygotowania jego prototypów.

 

Rys. 4. Szybko rośnie zastosowanie druku 3D w branży medycznej (fot. Tom Claes/Unsplash)

 

Jak wspomniano, 3DP szybko się rozwija, ale jeszcze zanim nastała pandemia COVID-19, w czwartym kwartale 2019 r., nastąpiło zahamowanie tempa wzrostu tej branży. Już nie ponad 20%, a tylko 8%, które skądinąd ucieszyłyby wielu menedżerów z innych branż. Wydaje się, że ten spadek tempa wzrostu był związany z bardzo trudnym przejściem druku 3D do następnego etapu: produkcji przemysłowej na średnią i dużą skalę. Wiąże się ono z przekształceniem całej branży.

Jak to ujął Andreas Saar z niemieckiej firmy Siemens: We have to change our minds, czyli w wolnym tłumaczeniu: Musimy całkowicie zmienić swoje nastawienie. Należy wymyślić produkt na nowo (ang. reimagine it), zmienić sposób jego produkcji (ang. retool manufacturing) oraz zmodyfikować sposób prowadzenia biznesu (ang. rethink how we do business). Oznacza to np., że aby uzyskać jak największą korzyść z zastosowania druku 3D, nie można po prostu wydrukować tą metodą części, która wcześniej była wytwarzana tradycyjnie. Część tę należy, po analizie jej funkcji, zaprojektować na nowo, z zastosowaniem wyrafinowanych technik projektowania, takich jak optymalizacja topologiczna i design zorientowany na wydajność, i w nowy sposób zorganizować produkcję. Ten ostatni punkt musi uwzględniać m.in. dużo szybsze cykle innowacji, ograniczenie zapasów, pracownie cyfrowe (ang. workshop) wykonujące druk 3D na zamówienie oraz zindywidualizowaną produkcję. Oczekuje się, że 3DP zrewolucjonizuje rynek części zamiennych, ponieważ zamiast magazynowania ich w warsztatach, można je będzie wydrukować na miejscu.

Pandemia ograniczyła rozwój wielu istotnych dla 3DP dziedzin, np. branży motoryzacyjnej i lotniczej. Jednocześnie jednak zwróciła uwagę na wiele ważnych zalet tej metody wytwarzania, i po chwilowym spadku (zresztą nie we wszystkich firmach) wydaje się sprzyjać wzrostowi branży. Istotny udział 3DP w walce z koronawirusem pokazał, że jest to bardzo elastyczna metoda, która potrafi się dostosować do zmiennych potrzeb. Jednocześnie w obliczu związanych z pandemią braków części zamiennych doceniono zastosowanie 3DP do ich produkcji w celu usprawnienia łańcuchów dostaw. Mówi się nawet o tym, że druk 3D przeciwdziała globalizacji. To wszystko doprowadziło do zmiany klimatu wokół tej metody wytwarzania i zrozumienia przez przedsiębiorców z innych branż, że w druk 3D opłaca się inwestować.

 

Helena Dodziuk
IChF PAN, hdodziuk@gmail.com

 

LITERATURA

[1] https://pulsmedycyny.pl/jak-druk-3d-pomaga-w-walce­-z-koronawirusem-997100
[2] https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4261039
[3] https://www.thingiverse.com/thing:376601
[4] https://www.ge.com/news/reports/100000-patients-later-3d-printed-hip-decade-old-going-strong