Perspektywy rozwoju druku 3D
Ostatnio w Polsce jakoś mniej się mówi o druku 3D (3DP), więc gdy zaczęłam opowiadać znajomemu o swojej książce na ten temat, spytał: A tam się w ogóle coś dzieje? Otóż dzieje się, i to dużo. I warto zdawać sobie z tego sprawę. Druk 3D intensywnie się rozwija [1]. Raport z 2019 r. – przygotowany przez najpoważniejszą firmę analityczną w tej dziedzinie – Wohlers Associates [2] – przewiduje, że wartość przemysłu 3DP wzrośnie od 15,8 mld USD w 2020 r. do 23,9 mld USD w 2022 r. i 35,6 mld USD w 2024 r. Warto przypomnieć, że ta wartość w 2017 r. wynosiła tylko 7,34 mld USD, a więc będzie to ogromny skok w ciągu czterech lat [3]. Uważa się, że 3DP wraz z robotyką, internetem rzeczy, nano- i biotechnologią oraz zaawansowanymi interfejsami człowiek–maszyna i kilkoma innymi dziedzinami jest częścią następnej rewolucji przemysłowej [1].
Według Wikipedii druk 3D to wytwarzanie obiektów trójwymiarowych o dowolnych kształtach na podstawie modelu cyfrowego [4]. W tym celu należy – za pomocą oprogramowania typu CAD albo skanowania – stworzyć model przestrzenny obiektu, który musi zostać: przekonwertowany do formatu używanego przez drukarkę 3D, wydrukowany oraz poddany obróbce końcowej, tzw. postprocessingowi (ale przynajmniej jedna z wprowadzonych ostatnio metod pozwala go uniknąć [5]).
Zacznijmy od spraw nomenklaturowych. W tej dziedzinie używane są dwa pojęcia: wytwarzanie przyrostowe (ang. additive manufacturing – AM), które jest obecnie częściej stosowane w odniesieniu do zastosowań przemysłowych, oraz druk 3D (ang. 3D printing – 3DP), który obejmuje albo całą dziedzinę, albo pozostałe, niezwiązane z przemysłem zastosowania AM (np. w medycynie, edukacji czy sztuce). W tym artykule pojęcie druku 3D jest używane w bardziej ogólnym znaczeniu.
Gwałtowny rozwój 3DP/AM to nie tylko wzrost wartości, lecz także poważne zmiany jakościowe całej tej dziedziny. Rozwijają się i różnicują zarówno metody drukowania, jak i stosowane materiały oraz oprogramowanie. Co więcej, powstała konieczność całościowego podejścia do tej metody wytwarzania. Andreas Saar z firmy Siemens, jednej z najbardziej aktywnych w dziedzinie 3DP, sformułował to (w moim niedoskonałym tłumaczeniu) następująco: Wytwarzanie przyrostowe zmienia wszystko. Należy na nowo wymyśleć produkty, zmienić narzędzia wytwarzania i przemyśleć sposób prowadzenia biznesu (Additive manufacturing reshapes everything. Reimagine products. Retool manufacturing. Rethink business) [6]. Wszystkie te aspekty należy uwzględnić, jeśli chce się odnieść sukces w tej dziedzinie.
Na początku tę metodę stosowano w przemyśle do konstruowania prototypów (ang. rapid prototyping), następnie – do wytwarzania narzędzi (ang. rapid tooling), a obecnie coraz częściej do tzw. produkcji końcowej (ang. end-use parts). Mówimy wtedy o szybkim wytwarzaniu (ang. rapid manufacturing), mimo że jeszcze do niedawna mała prędkość druku 3D była jego istotnym ograniczeniem.
Bardzo interesująca jest rola druku 3D w różnych dziedzinach gospodarki [7]. André Laplume i współpracownicy ocenili, że ta metoda nie ma perspektyw zastosowania ani w przemyśle wydobywczym, ani w przetwórstwie materiałów naturalnych (pomijając glinę i piasek [1]). Jednakże może być i jest wykorzystywana do prototypowania oraz produkcji narzędzi i maszyn używanych w tych branżach. Obecnie główne zastosowania przemysłowe druku 3D obejmują wytwarzanie niewielkich elementów, wykonywanych na ogół z jednego materiału (plastiku, ceramiki lub metalu). Jest to tania technika produkcji wyrobów jubilerskich, artykułów sportowych, gier, zabawek itp., a także urządzeń medycznych. Sytuacja szybko się zmienia – 3DP wchodzi m.in. do branży motoryzacyjnej i lotniczej oraz budownictwa. Laplume i współpracownicy wskazują też na medycynę, choć – jak się wydaje – w tej branży druk 3D znalazł już szerokie zastosowanie [1, 8]. W przyszłości rozszerzy się ono na wiele innych dziedzin, np. na przemysł spożywczy. W tym miejscu warto wspomnieć o otwartej 25 sierpnia 2019 r. w Warszawie cukierni „Bake my day/night”, gdzie dzięki metodzie 3DP powstają formy do wypieku spersonalizowanych ciastek [9]. Najłatwiej w 3D drukuje się słodycze (rys. 1).
Rys. 1. Czekoladowe globusiki wydrukowane w 3D (dzięki uprzejmości M. Roovers i firmy TNO)
W tej dziedzinie panuje bezlitosna konkurencja i trwa bezpardonowy wyścig. Rozwój 3DP nie jest równomierny. Z jednej strony stymulują go uwalnianie patentów i spadek cen drukarek 3D (przy czym drukarki biurkowe nie ustępują już jakością drukarkom przemysłowym), a z drugiej – wzrost liczby tych urządzeń i żywiołowe ich wykorzystanie przez nowo tworzone start-upy zwiększa konkurencję i prowadzi do upadku wielu przedsiębiorstw. Dane firmy Wohlers Associates, dotyczące dochodów ze światowej sprzedaży produktów i usług z 3DP w latach 1993–2013, pokazują spadki w latach 2001, 2002 i 2009 [10]. W tym okresie nastąpił jeszcze szybszy wzrost druku 3D w metalu, kontynuowany w następnych latach, jednak również w tym przypadku zaobserwowano spadek w latach 2007 i 2008 [10].
Branżę 3DP/AM charakteryzuje ostry antagonizm między wolnymi strzelcami, uważającymi, że wszystkie innowacje powinny być bezpłatne, a firmami chcącymi na nich zarabiać pieniądze. Przykładem tych różnic były sprzeczne podejścia do rozpowszechniania informacji, reprezentowane przez założycieli Apple’a – Steve’a Jobsa oraz Steve’a Wozniaka, co w interesujący sposób opisał Walter Isaackson – autor fascynującej biografii Jobsa [11]. Inżynier Wozniak chciał rozdawać swoje projekty bezpłatnie, a nastawiony na biznes Jobs zamierzał czerpać z nich zyski. Musieli się więc rozstać.
Wpływ tak różnych podejść przeanalizował Isaackson w innej książce pt. Innowatorzy [12]. Na pytania: czy komputery rozwijałyby się szybciej, gdyby zespół von Neumanna dalej umieszczał swoje innowacje w domenie publicznej i promował otwarty model rozwoju, czy może to konkurencja rynkowa i korzyści finansowe z tworzenia własności intelektualnej są lepszym motorem innowacji – daje on odpowiedź: i tak, i nie. Według Isaacksona model open source sprawdził się lepiej w przypadku internetu, WWW i kilku rodzajów oprogramowania, natomiast rozwój oprzyrządowania, czyli komputerów, układów scalonych itp., zawdzięczamy dochodom uzyskanym z ich opatentowania.
Przykładem bezpłatnego (ang. free) i otwartego (tj. takiego, w którym każdy może wprowadzać zmiany) oprogramowania (ang. software) jest system Linux. Mniej popularne jest bezpłatne i otwarte oprzyrządowanie (ang. hardware). Taki był słynny projekt RepRap zaproponowany przez Adriana Bowyera [13]. Wykorzystując fakt wygaśnięcia niektórych patentów, obejmował on bezpłatny projekt drukarki 3D wraz z oprogramowaniem CAD/CAM, jak również sterowniki, które przekształcają projekt użytkownika w wydrukowany obiekt. Każdy mógł skorzystać z tych planów i programów oraz je ulepszać. Co więcej, mówiono nawet o samoreplikacji drukarek 3D, ponieważ większość elementów takiej drukarki była wykonana z plastiku i można je było sobie lub kolegom wydrukować. W projekt RepRap były zaangażowane setki osób na całym świecie. Opracowały one kilka kolejnych drukarek, które trafiły do bardzo wielu użytkowników. Z drugiej strony niezależnie powstawały bezpłatne otwarte programy modelowania, które były preferowane do obsługi drukarek RepRap.
Głównym celem projektu RepRap było wytwarzanie płytek drukowanych, aby można było drukować własną elektronikę, lecz warto sobie zdać sprawę, że bez tej inicjatywy Bowyera technologie przyrostowe byłyby dostępne jedynie dla wąskiego grona specjalistów. Od RepRapu zaczęła się popularyzacja druku 3D i dzięki temu powstało wiele znaczących firm specjalizujących się w produkcji drukarek 3D.
Jedną z nielicznych znanych osób, wiernych ideom RepRapu, jest Czech Josef Průša [14]. Jego projekt drukarki 3D Original Prusa i3, nadal open source, jest najczęściej kopiowany i wysoko oceniany [15], a niszowa firma Prusa Research cieszy się zasłużonym powodzeniem. Obecnie sprzedaje swoje drukarki w postaci gotowej lub do złożenia.
Niestety, założona przez Bowyera firma RepRapPro nie wytrzymała rynkowej konkurencji [16]. Projekty takie jak RepRap, które na masową skalę udostępniają na platformach internetowych, np. Thingiverse [17], bezpłatne pliki do drukowania, są częścią dużo szerszego zjawiska – coraz popularniejszej tzw. ekonomii współdzielenia i społecznej nauki [18]. Należy podkreślić, że również obecnie pojawia się wiele bezpłatnych projektów drukarek (np. biodrukarka 3D DIY do drukowania komórkami [19]) oraz plików do drukowania. Interesujące są zwłaszcza bezpłatne pliki do zastosowań medycznych, obejmujące m.in. egzoszkielety [20] (rys. 2), protezy [21] i steto-skopy [22].
Rys. 2. Egzoszkielet dla Krzysia cierpiącego na rzadką chorobę zaniku mięśni (dzięki uprzejmości firmy Golem 3D)
Lawinowy wzrost zainteresowania drukiem 3D jest związany z unikalnymi właściwościami tej metody wytwarzania. Pozwala ona na otrzymywanie obiektów o bardzo skomplikowanych kształtach i zawierających fragmenty, które mogą się poruszać względem siebie (rys. 3). Takich obiektów na ogół nie da się (a z pewnością nie da się tanio) wytwarzać innymi technikami. Warto podkreślić, że dzięki tej metodzie można np. uzyskać elementy z wnękami w środku, co znacząco ogranicza masę tych elementów i koszty ich wyprodukowania, co jest istotne w przemyśle lotniczym, samochodowym, kosmicznym itd. Przykładem tego są dysze silników odrzutowych, montowane wcześniej z 20 elementów, które w General Electric zastąpiono jedną częścią wydrukowaną w 3D [23]. W 2018 r. wyprodukowano (co prawda z opóźnieniem w porównaniu z planami) 30 tys. takich dysz [24]. W przemyśle lotniczym, w którym wytwarza się czasami tylko kilkaset egzemplarzy samolotów danego typu, to naprawdę duża liczba.
Rys. 3. Wydrukowany w 3D model astrolabium, w którym pierścienie mogą się obracać względem siebie (fot. H. Dodziuk)
Bardzo cenna, zwłaszcza w medycynie, jest personalizacja (ang. customization) związana z możliwością dopasowania wyrobu do konkretnej osoby. To z jednej strony drukowanie w 3D protez w rozmiarze odpowiednim dla pacjenta, a z drugiej – zapowiedziane już w 1970 r. przez Alvina Tofflera w Szoku Przyszłości odejście od produkcji masowej na rzecz wytwarzania zindywidualizowanych produktów dla konkretnego klienta [25].
Warto też zwrócić uwagę na zorientowany ekologicznie charakter 3DP – w branży druku 3D odpadów jest na ogół bardzo mało i podejmuje się wiele inicjatyw recyklingowych. Istnieją liczne projekty open source zagospodarowania plastikowych śmieci poprzez przekształcenie ich w materiał do drukowania, tj. filament [26], a jeden z częściej stosowanych materiałów – PLA – jest biodegradowalny [27].
Z drugiej strony nie do pominięcia jest niszczący (ang. disruptive) charakter druku 3D, charakterystyczny dla wszystkich nowych technologii. Aby to sobie uzmysłowić, przypomnijmy tylko, co zostało z przemysłu aparatów fotograficznych po tym, jak możliwe się stało robienie zdjęć smartfonami. Podobnie, choć na razie na niewielką skalę, jest z drukowaniem w 3D – jego wprowadzenie do produkcji aparatów słuchowych całkowicie przeorganizowało tę dziedzinę [28]. Wydaje się, że następną ofiarą wprowadzania 3DP będą technicy dentystyczni.
Na początku nie wykorzystywano w pełni wyjątkowych właściwości 3DP – drukowano głównie z plastiku w najprostszej technologii FDM/FFF [↓] i korzystano ze standardowych programów do projektowania CAD. Większość zastosowań (poza prototypowaniem) ograniczała się wtedy do wytwarzania gadżetów. Rozpowszechnienie się 3DP w wielu gałęziach przemysłu, medycynie, edukacji i sztuce oraz lepsze zrozumienie specyfiki tej metody spowodowały: rozwój różnorodnych materiałów [29–31] i technologii 3DP, oprogramowania oraz materiałów do drukowania w 3D, zmianę podejścia do designu (projektowania) i coraz szersze wprowadzanie 3DP/AM do przemysłu oraz produkcji masowej.
Rozwój technologii 3DP, oprogramowania i materiałów do drukowania
Dla przemysłu bardzo ważny jest druk 3D z metalu, podczas gdy w medycynie liczą się personalizacja produktów oraz drukowanie komórkami, co pozwala mieć nadzieję na zastąpienie naturalnych transplantatów organami wydrukowanymi w 3D. Znajdą one również zastosowanie w medycynie estetycznej. Ważną rolę będą odgrywać nowe, szybkie drukarki do produkcji przemysłowej, nowe procesy (np. dzianie, czyli analog robienia na drutach, lub drukowanie wykorzystujące papier jako materiał) oraz nowe materiały. Następuje przejście od plastików do materiałów ceramicznych, kompozytów, hydrożeli oraz reagujących (ang. responsive) polimerów [29–31]. Bardzo obiecujące, i to nie tylko w medycynie, jest zwłaszcza wprowadzanie nowych materiałów kompozytowych.
Jeśli chodzi o oprogramowanie, jedną z najważniejszych zmian będzie wykorzystanie chmury. Obecnie w branży 3DP obliczenia w chmurze wykorzystuje się tylko w bardzo małym stopniu, ponieważ można tam znaleźć niewiele programów PLM (product lifecycle management), CAD oraz projektów inżynierskich [32]. Istnieje wprawdzie specjalna platforma internetowa Dassault Systèmes, jednak komunikacja z nią nie jest prosta. Wydaje się, że w przyszłości ten i podobne systemy zostaną udrożnione i będą szeroko używane. Niezwykle ważna jest integracja oprogramowania powiązana z przemianami modeli biznesowych. Taka integracja (ang. end-to-end solutions) powinna łączyć modelowanie i testowanie produktów przed ich wytwarzaniem z procesem produkcyjnym oraz analizą działania wydrukowanych części w czasie, obejmującą ich zużycie (tzw. wirtualne testowanie). W rezultacie otrzymane pakiety programowe mają uwzględniać wszystkie parametry inżynierskie – np. właściwości materiałów, specyfikacje działania wytwarzanych części, projektowanie generatywne (ang. generative design), wielorobotyczną, czyli wykonywaną przez kilka współpracujących robotów, produkcję i certyfikację – oraz optymalizację procesu drukowania w 3D. Takie oprzyrządowanie informatyczne przyniesie ogromne zyski, ponieważ przyspieszy nową falę transformacji przemysłowej. Sam proces projektowania zostanie zautomatyzowany – w projektowaniu dla druku 3D (i nie tylko) dużą rolę będą odgrywać tzw. zautomatyzowani asystenci designu (ang. automated design assistants).
Zmiana podejścia do designu (projektowania)
Jak już wspomniano, początkowo do projektowania w dziedzinie druku 3D wykorzystywano standardowe metody CAD. Jednak możliwość wykonania tą metodą obiektów o bardzo skomplikowanym kształcie (np. zawierających w środku puste wnęki) lub wydrukowania w 3D części zawierających ruchome fragmenty pozwoliła na wytwarzanie bardzo skomplikowanych elementów jako jednej części. Najlepiej ilustruje to wspomniany uprzednio klasyczny przykład dyszy silników odrzutowych, zaprojektowanych i wydrukowanych w 3D przez General Electric, gdzie 20 części o bardzo skomplikowanym kształcie zastąpiono jedną. Tak wielkie zmiany w projektowanych obiektach wymusiły zmiany w projektowaniu. Zasadniczo polegają one na zmianie podejścia do projektowania (designu) dla druku 3D/AM – zamiast powielać wytwarzane tradycyjnie wzory, należy wyjść od potencjalnej funkcjonalności gotowego przedmiotu (zgodnie z przytoczoną wypowiedzią Saara z firmy Siemens) [6]. Opracowuje się również specjalne metody projektowania dla 3DP//AM, zwane designem dla AM (ang. design for additive manufacturing – DfAM) [33]. Wśród nich można wymienić projektowanie parametryczne i generatywne, topologiczną optymalizację struktur sieciowych oraz tak modne ostatnio naśladowanie przyrody (ang. biomimicry) [34]. Design dla AM pozwala na tworzenie wysoko skomplikowanych sieci struktur, które w porównaniu z elementem zaprojektowanym w sposób konwencjonalny mogą zapewnić identyczne lub nawet lepsze właściwości mechaniczne przy mniejszym zużyciu materiału i tym samym – niższych kosztach produkcji.
Coraz szersze wprowadzanie 3DP/AM do przemysłu i masowej produkcji
Najpierw druk 3D wykorzystano do wykonywania narzędzi do produkcji, co obok szybkiego prototypowania zapewniło znaczące skrócenie czasu wdrażania nowych wyrobów. Zastosowanie druku 3D w przemyśle i produkcji masowej spowoduje wyraźne zmiany w szybkości dostarczania produktów na rynek (ang. time to market), a także wzrost zadowolenia klientów, jakości wyrobów i wydajności kosztowej (ang. cost efficiency). Warto podkreślić, że takie firmy, jak Airbus czy Adidas, od ponad 10 lat zajmowały się, na ogół w tajemnicy, wprowadzaniem 3DP do procesów produkcji, jednak dopiero ostatnio ta aktywność zaczęła generować zyski. Przykładowymi owocami takiej produkcji są: 30 tys. dysz do silników odrzutowych, 100 tys. wkładek do butów Futurecraft wyprodukowanych przez Adidasa w 2018 r. [35] czy też ponad 100 tys. wydrukowanych w 3D protez biodrowych firmy Arcam, które zostały wszczepione pacjentom [36]. Ostatni przykład stanowi zaprzeczenie tak ważnej w branży medycznej personalizacji wyrobów, jednak w tym przypadku druk 3D umożliwił wytworzenie tanim kosztem bardzo wielu protez, które i tak były o wiele lepiej dopasowane do pacjenta niż protezy tradycyjne.
Coraz częstsze zastosowanie przemysłowe druku 3D powoduje zmianę podejścia do całego biznesu 3DP, co propaguje Saar z firmy Siemens [6], która wprowadza tę technologię na dużą skalę.
Design powinien w sposób organiczny uwzględniać funkcję projektowanej części oraz jej działanie, z wykorzystaniem optymalizacji topologicznej, indywidualizacji i redukcji masy. Należy na nowo przemyśleć wybór materiału i narzędzi, a w konsekwencji również sposób prowadzenia biznesu. W myśl tego podejścia nie wystarczy zaprojektować część w tradycyjny sposób. Wychodząc od jej funkcji, trzeba się zastanowić, jaki kształt nadać części, z jakiego materiału ją wykonać itd., oraz przeprowadzić analizę jej działania i zużycia w czasie całego okresu użytkowania (ang. life cycle). Jeśli chodzi o wybór materiału, bardzo interesujące są propozycje zastąpienia (w niektórych projektach) metali materiałami kompozytowymi [31].
Firma Siemens zastosowała omówione podejście m.in. w procesie wytwarzania łopatek turbin, których ważnym elementem są zakrzywione kanaliki wentylacyjne (tradycyjnie były one prostoliniowe, jednak po analizie ich działania zmieniono ich kształt na bardziej funkcjonalny) – niemożliwe do wykonania tradycyjnymi metodami.
Innym ciekawym przykładem zmiany funkcji produktu jest dron z chwytakami–rękami [37].
Perspektywy rozwoju 3DP/AM
Ze względu na elastyczność i mniejsze wymagania kapitałowe druk 3D zmienia reguły gry rynkowej. Dzięki personalizacji, optymalizacji produktu i wydajności wytwarzania (również narzędzi produkcyjnych) oraz nowym modelom prowadzenia biznesu 3DP umożliwia niewyobrażalnie szybkie innowacje – dwuletni okres od pomysłu do wprowadzenia produktu na rynek skraca się nawet do dwóch miesięcy. Niektóre związane z drukiem 3D/AM ograniczenia, które należy pokonać, polegają na niepowiązanym oprogramowaniu różnych firm, konieczności wielokrotnego konwertowania plików czy też standardowym myśleniu personelu zarządzającego. Ogrom i stopień skomplikowania problemów zmusza do współpracy firmy specjalizujące się w różnych dziedzinach. Przykładem jest np. współpraca firm: Adidas i Carbon [38], Siemens i Materials Solutions [39], Siemens i HBIS Group [40], Panova i polskiej firmy 3D Gence [41].
W przemyśle
Przytoczone wcześniej liczby, wskazujące na szybki, wręcz lawinowy wzrost wartości przemysłu druku 3D/AM w przyszłości, świadczą o ogromnych perspektywach rozwoju i zastosowań tej metody wytwarzania. Będzie ona nadal szeroko wykorzystywana do prototypowania i produkcji narzędzi, ale pojawi się więcej jej zastosowań w przemyśle wytwórczym – druk 3D stanie się metodą otrzymywania produktów końcowych. W związku z tym nastąpi dalszy rozwój technik druku i nowoczesnych materiałów do drukowania (ze szczególnym uwzględnieniem materiałów kompozytowych), rozszerzy się paleta stosowanych metali i ich stopów, jak również materiałów do biodruku oraz reagujących (ang. responsive) polimerów [30]. Należy podkreślić, że problemu opracowywania nowej generacji materiałów do drukowania nie można rozpatrywać oddzielnie od modelowania, designu, procesów druku czy badań jakości i certyfikacji, ponieważ wszystkie te procesy są współzależne. Nastąpi dalszy rozwój oprogramowania, obejmujący nie tylko software do samego druku 3D/AM, lecz także doskonalenie metod projektowania i programów zarządzających produkcją z wykorzystaniem techniki druku 3D/AM, np. produkcją hybrydową (tj. łączącą drukowanie 3D z tradycyjnymi technikami wytwarzania) i rozproszoną. Procesy 3DP będzie można zintegrować z innymi systemami, np. ERP (ang. enterprise resource planning – planowanie zasobów przedsiębiorstwa) i PDM (ang. product data management – zarządzanie danymi produktu). Menedżerowie staną przed ważną decyzją: czy cała produkcja ma się odbywać w jednym miejscu, czy ma być rozproszona. Inną opcją jest użycie drukarek biurkowych w klastrach, co pozwoli na wysyłanie zadań do konkretnych drukarek (i np. podział dużych zadań na mniejsze, wykonywane przez różne urządzenia), a dodatkowo (podobnie jak w przypadku obrabiarek CNC) – na wytwarzanie obiektów w dowolnym miejscu na świecie, niezależnie od tego, gdzie je zaprojektowano.
W tym miejscu trzeba zaznaczyć, że dopiero ostatnio rozpoczęto intensywne prace w dziedzinie metrologii i atestowania wydrukowanych w 3D produktów oraz programów opisujących zachowanie się produktów w czasie ich używania.
Niski koszt sprawdzenia pomysłu i uruchomienia produkcji oznacza również szansę rozwoju dla mniej zaawansowanych technologicznie krajów oraz możliwość podejmowania napraw w miejscach odległych od cywilizacji [42]. Warto podkreślić, że 3DP/AM wpłynie nie tylko na przemysł i jego organizację, lecz także na całe nasze życie.
Ze względu na dostępność i atrakcyjność cenową druku 3D pojawi się wiele nowych start-upów z tej branży. Co więcej, podobnie jak producenci energii elektrycznej z energii wiatrowej, producenci przedmiotów (np. biżuterii) wykonanych techniką 3DP będą je mogli również sprzedawać – w ten sposób staną się prosumentami, czyli producentami i konsumentami jednocześnie [43].
Druk 3D/AM jest ściśle związany z robotyką – nadaje się nie tylko do wykonywania modeli ze Star Wars [44], lecz także do bardzo zaawansowanych projektów (które czasem można wydrukować w domu) [45], a nawet robotów przemysłowych [46, 47].
Ostatnio opublikowano wspólny raport Forbesa i McKinsey & Company: Polska 2030. Szansa na skok do gospodarczej ekstraklasy [48]. W raporcie nie wspomniano o druku 3D/AM, jednak ta metoda wytwarzania może odegrać dużą rolę w cyfryzacji i automatyzacji (które w raporcie wymieniono, pominięto zaś inne innowacyjne działy gospodarki, np. genetykę czy nowatorskie materiały), a także w łagodzeniu deficytu siły roboczej.
Jeśli chodzi o różne dziedziny przemysłu, to – jak wspomniano – druk 3D niemal całkowicie zdominował już branżę aparatów słuchowych [28] i wydaje się, że następną w kolejce do całkowitego przejęcia jest stomatologia. Dziedziną, którą druk 3D/AM zmieni w sposób zasadniczy, jest wytwarzanie części zamiennych. Nie trzeba będzie ich produkować na zapas, rozsyłać do warsztatów naprawczych i tam składować. Wystarczy, że w warsztatach będą drukarki 3D i pliki do drukowania tych części [49]. Coraz powszechniej druk 3D/AM (lub metody hybrydowe łączące 3DP z tradycyjnymi technikami wytwarzania [50]) będzie stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i kosmicznym, w budownictwie, w budowie maszyn itd. Pociągnie to za sobą poważne zmiany w całym procesie produkcji.
Również za sprawą druku 3D/AM już teraz zmienia się zasadniczo geografia gospodarcza świata. Obok USA i Europy Zachodniej ogromną rolę zaczynają odgrywać w tej dziedzinie Chiny i Korea Południowa oraz inne kraje Dalekiego Wschodu. Bardzo ciekawe zastosowania biodruku, i nie tylko, opracowywane są w Australii. Coraz więcej się słyszy o rozwoju druku 3D/AM w Dubaju, Ameryce Południowej i Afryce [51]. Są też interesujące doniesienia o problemach związanych ze zróżnicowaniem kulturowym, na które napotykają zespoły propagujące tę metodę wytwarzania w krajach afrykańskich, gdzie obowiązujący język nie zawiera pojęcia trójwymiarowości [52].
W medycynie
Druk 3D znajduje szerokie zastosowanie w medycynie. W wielkich amerykańskich szpitalach, takich jak klinika Mayo, wirtualne planowanie operacji chirurgicznych (ang. virtual surgical planning – VSP) zaczyna być standardem przy bardzo skomplikowanych operacjach [53]. Coraz częściej wykorzystuje się protezy i implanty, w tym zębowe, a protezy biodrowe są już wytwarzane na masową skalę [36]. Szybki wzrost dotyczy również produkcji różnorodnych urządzeń medycznych, np. narzędzi chirurgicznych dostosowanych do rozmiarów pacjenta (np. dla wcześniaków, a nawet płodów w łonie matki), oraz różnego rodzaju osłon radiologicznych dla pacjentów na oddziałach onkologicznych. W literaturze podkreśla się, że na komunikację z pacjentem, a także na jego samopoczucie i cały proces leczenia z wykorzystaniem druku 3D zbawienny wpływ mają personalizacja produktów i wykorzystanie modeli, np. nowotworu i jego otoczenia. Pozwalają one skrócić czas operacji i czas powrotu pacjenta do zdrowia, a tym samym ograniczyć koszty leczenia i zapewnić pacjentowi dobrostan.
Z oczywistych względów pominięto wiele innych medycznych zastosowań druku 3D, m.in. drukowanie leków czy wytwarzanie żywności dla osób starszych. W przemyśle farmaceutycznym druk 3D umożliwi otrzymywanie: leków w dawkach dopasowanych do wieku pacjenta, multileków zawierających kilka leków w jednej pastylce, a także pastylek w kształtach i kolorach atrakcyjnych dla dzieci (rys. 4). Już teraz dla osób, które mają problemy z połykaniem, drukuje się w 3D posiłki mające znacznie atrakcyjniejszą formę niż dotychczas stosowane papki [54].
Rys. 4. Pastylki leków drukowane w 3D przez firmę FabRx (fot. H. Dodziuk)
Duże nadzieje wiąże się z rozwojem biodruku w 3D. Według mojej najlepszej wiedzy jedynym dotychczas skomercjalizowanym urządzeniem z tej dziedziny jest próbka tkanki wątroby ExViveTM, którą amerykańska Agencja Żywności i Leków (Food and Drug Administration – FDA) zatwierdziła do testowania leków [55]. Urządzenie pozwala na skuteczniejsze niż dotychczas testowanie leków i znajduje szerokie zastosowanie w firmach farmaceutycznych, np. w koncernie Merck [56]. Ze względu na brak donorów chyba najbardziej oczekiwany jest biodruk 3D całych narządów. Zajmie to jeszcze kilka lat, ale przypuszczalnie już w 2020 r. będzie można uzyskać fragment wątroby nadający się do wszczepienia człowiekowi [57].
Ważnym problemem, nie tylko w zastosowaniach medycznych, są kwestie standaryzacji i regulacji prawnych, np. ograniczenia nakładane w USA przez FDA.
Przemiany społeczne
Według przewidywań jedną z konsekwencji wprowadzenia druku 3D do przemysłu będzie spadek zatrudnienia. Wydrukowane w 3D maszyny i roboty mogą bowiem pracować 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu. Nie uniknie się przy tym negatywnych skutków społecznych związanych z utratą miejsc pracy. Oczywiście wprowadzenie nowych technologii stworzy również nowe miejsca pracy, ale po pierwsze będzie ich mniej, a po drugie będą przeznaczone dla wysoko wykwalifikowanych pracowników (brak takich specjalistów będzie zaś hamulcem rozwoju nowych gałęzi gospodarki).
Druk 3D może być jednym z kół zamachowych gospodarki, ponieważ dzięki tej technologii będzie można tanio przetestować pomysł, a nawet uruchomić produkcję. Należy się jednak liczyć ze zwiększeniem konkurencji, wskutek czego z rynku zniknie wiele firm. Przykładem firmy, która przetrwała, ale utraciła swoją dominującą pozycję, ponieważ nie doceniła tempa przemian i konkurencyjności rynku, jest Zortrax (bodaj najbardziej znana polska firma z branży 3DP). W 2013 r. firma opracowała bardzo dobry projekt drukarki 3D, zdobyła środki na jego finansowanie na platformie crowdsourcingowej Kickstarter i wykorzystując nietypowy w Polsce model biznesowy – projektowanie u nas, a wytwarzanie w Chinach i Hongkongu – osiągnęła duży sukces. Już w 2015 r. na podstawie opinii użytkowników międzynarodowy portal 3DHubs.com uznał pierwszą drukarkę marki Zortrax – M200 – za najlepszą w kategorii plug & play. Powtórzyło się to rok później oraz w 2018 r. Firma Zortrax była również mistrzynią PR. Prezes (wtedy jeden z dwóch) Rafał Tomasiak twierdził, że technologia, którą stosują (najprostsza FDM/FFF) jest najlepsza i najbardziej przyszłościowa, a zastosowania całej, ogromnej już wtedy dziedziny będą się ograniczały do małych pracowni i usług. Zdecydowanie negował również możliwości wdrożenia druku 3D w produkcji przemysłowej [58], całkowicie pomijał przy tym dynamiczny rozwój tej dziedziny, a zwłaszcza metod drukowania (bardziej skomplikowanych niż FDM/FFF), a także rozszerzanie się zastosowań 3DP oraz rodzącą się wtedy konkurencję, głównie na Dalekim Wschodzie. W międzyczasie firma Zortrax przygotowała nowe, nie tak interesujące jak M200, projekty drukarek i zyski zaczęły spadać. W 2016 r. zaczęto mówić o wejściu firmy na giełdę, lecz wniosek do Komisji Papierów Wartościowych złożono dopiero w listopadzie 2017 r. We wrześniu 2019 r. firma miała zadebiutować na giełdzie New Connect [59], ale chyba nie weszła. Obecnie zaczęła odrabiać straty. Ciekawe, jak potoczą się jej losy.
Słyszy się o szybkim rozwoju druku 3D w krajach mniej zaawansowanych technologicznie. Istnieje np. specjalna platforma internetowa propagująca program „Join Us, Model Africa” [60], która oferuje nauczanie: druku 3D, wytwarzania i sprzedawania produktów oraz tworzenia biznesu. Oczywiście przyczyni się to do wielu zmian społecznych, co potwierdza inspirujący projekt Markusa Kaysera z 2011 r. [61]. Artysta zainstalował na Saharze panele słoneczne wraz z drukarką 3D, aby udowodnić, że można tam tanim kosztem wytwarzać naczynia z piasku (rys. 5). W tym miejscu warto przypomnieć o zastosowaniu druku 3D do usuwania awarii w odległych od cywilizacji lokalizacjach [42].
Rys. 5. Drukarka 3D i panele słoneczne ustawione na pustyni oraz wydrukowane w 3D naczynia z piasku (fot. Markus Kayser)
Zastosowanie druku 3D w budownictwie [62, 63] przyniesie wymierne skutki społeczne. Jak ustaliła ONZ, w 2025 r. ponad 50 mln nowych mieszkańców miast będzie czekać na swe domy. Ponadto należy wziąć pod uwagę konieczność przebudowy terenów poprzemysłowych (ang. brownfield redevelopment) [62] oraz inne lokalne potrzeby. To ogromne pole działania dla druku 3D, który w tym przypadku okazuje się technologią szybką i tanią, a do tego bezpieczną. Na ogół nie uświadamiamy sobie, że budownictwo należy do dziedzin charakteryzujących się największą liczbą wypadków – w USA każdego roku 400 tys. robotników budowlanych ulega wypadkom, a 6 tys. traci życie [63]. Budowanie wykorzystujące druk 3D jest dużo bardziej bezpieczne.
Na przemiany społeczno-gospodarcze będzie miało wpływ wykorzystanie do produkcji drukarek 3D elektrośmieci, a także drukowanie z użyciem recycklingowanego filamentu [64]. Części wydrukowane w 3D posłużą do usuwania skutków klęsk żywiołowych i uzupełniania wielu braków w najodleglejszych rejonach [42, 65].
Zdolni majsterkowicze będą samodzielnie wykonywać naprawy dzięki bezpłatnym lub tanim plikom, umożliwiającym wydrukowanie części zamiennych. W amerykańskich warunkach zakup drukarki 3D, przeznaczonej do drukowania części zamiennych, gadżetów itp., zwraca się już po roku [66]. Dzięki drukowi 3D będziemy mogli zamienić się w prosumentów, wykonujących przedmioty dla siebie i na sprzedaż [43].
Druk 3D wpłynie na całe nasze życie w niewyobrażalny sposób. Wydaje się jednak, że największym zmianom podlegać będą: edukacja, nauka i medycyna.
Model edukacji, ukształtowany w XIX w., nie przystaje już do rzeczywistości. Z jednej strony mamy do czynienia z zalewem informacji, z drugiej strony przedmioty i programy nauczania nie odpowiadają obecnemu stanowi wiedzy. Zapomnieliśmy, że rachunek różniczkowy powstał, aby badać problemy dynamiki i mechanikę niebieską. Dziś często uczy się go na wykładach z analizy matematycznej w kompletnym oderwaniu od zagadnień praktycznych. Druk 3D stwarza szansę na przywrócenie współzależności między różnymi dziedzinami [67], a ponadto na nowo wyposaża nas w umiejętność robienia czegoś własnymi rękami. Pozwala wymyśleć, co chcemy zrobić, a następnie poznać – z pomocą nauczyciela – podstawy programowania, żeby ten przedmiot zaprojektować i wydrukować. W ten sposób poza umiejętnością programowania można nabyć wiedzę z zakresu geometrii, materiałoznawstwa itd. Jednocześnie takie działania pobudzają zainteresowanie uczniów dziedzinami STEAM (ang. science, technology, engineering, art, mathematics), czyli naukami ścisłymi, technologią, inżynierią, sztuką i matematyką, oraz zwiększają szanse młodych ludzi na rynku pracy.
Interesujący program zastosowania druku 3D w edukacji prowadzi firma polska skriware [68]. Należy zresztą podkreślić, że wiele krajów wprowadza druk 3D do szkół i na wyższe uczelnie (np. w 2016 r. ponad 400 tys. szkół podstawowych w Chinach miało otrzymać drukarki 3D [69]), aby zapewnić w przyszłości wykwalifikowaną kadrę.
Omawiając skutki społeczne popularyzacji druku 3D, warto wspomnieć o otwartej nauce, która w bardziej ogólnym ujęciu obejmuje nie tylko wolny dostęp do informacji, lecz także modele wspólnego uprawiania wiedzy [70]. Przykładem takiej współpracy jest astronomiczny projekt „Łowcy Planet” (ang. Planet Hunters) [71], w ramach którego laicy analizują dane z obserwacji astronomicznych.
Chyba najbardziej znany projekt otwartej nauki, związany z drukiem 3D, powstał z inicjatywy amerykańskiego informatyka Bodo Hoenena [72], którego prawie całkowicie sparaliżowana pięcioletnia córeczka potrzebowała egzoszkieletu do ćwiczeń. Tego typu egzoszkielet miał kosztować ok. 100 tys. dolarów. Zdesperowany ojciec opisał swój problem i poprosił o pomoc na Facebooku oraz w serwisie LinkedIn, jednak obawiał się braku odzewu. Tymczasem zgłosiło się wielu specjalistów z różnych krajów, którzy pomogli przygotować projekt, zdobyć podzespoły, wykonać skan ręki, a potem wydrukować egzoszkielet. Zajęło to kilka miesięcy, lecz wydrukowany w 3D prototyp egzoszkieletu kosztował 100 razy mniej niż dostępne na rynku urządzenie [73]. Dzięki niemu córeczka Hoenena mogła ćwiczyć, a była bardzo zmotywowana (i ćwiczyła nawet po 10 godzin dziennie), ponieważ szybko robiła postępy. Cały projekt ma charakter open i jest udostępniony w internecie, a zainteresowani rodzice innych niepełnosprawnych dzieci wciąż pracują nad jego ulepszeniem.
Nie sposób przecenić skutków społecznych zastosowania 3DP w szeroko pojętej ochronie zdrowia. Oprócz egzoszkieletu Hoenena w internecie bezpłatnie udostępniane są również plany innych urządzeń medycznych, takich jak proteza ręki zaprojektowana przez Eastona LaChapelle’a [74] czy wysokiej jakości słuchawki lekarskie opracowane przez dr. Tareka Loubani, które kosztują 3 dolary i można je wydrukować z recyklingowanego plastiku [75]. Podobne urządzenia oraz różnorodne zastosowania druku 3D w medycynie zasadniczo zmienią opiekę medyczną, przyczyniając się do skrócenia czasu powrotu pacjentów do zdrowia i poprawy ich komfortu oraz do obniżenia kosztów leczenia.
Czasami społeczny odbiór wydrukowanych w 3D urządzeń może nas zadziwić. Twórca firmy Open Bionic [76], Joel Gibbard, zanim zajął się protezami, przeprowadził ankietę wśród osób z niepełnosprawnościami – zapytał, jakich protez potrzebują. Okazało się, że dzieci i młodzież na ogół nie chciały mieć protez wyglądających jak prawdziwe części ciała – oczekiwały, że to będą gadżety, najlepiej z migoczącymi światełkami. By to zrozumieć, warto przytoczyć emocjonalną wypowiedź dziewczynki bez ręki: Teraz nikt nie powie: „biedna kaleka”. Będą mówić: „jaki ma fajny gadżet”. Open Bionic i Walt Disney Company nawiązali współpracę w celu stworzenia protez Hero arm [77].
Aspekty prawne
Z drukiem 3D wiążą się pewne kwestie prawne [78]. W obliczu łatwości kopiowania wzorów prawo własności intelektualnej (ang. intellectual property – IP) wraz z innymi przepisami nabiera większego znaczenia. Przykładowo odpowiedzialność za produkty (ang. liability) może się rozciągać na projektanta, osobę wykonującą wydruki, a nawet na producenta drukarki i materiałów do drukowania. Trzeba też zwrócić uwagę na takie zagadnienia, jak bezpieczeństwo danych czy drukowanie broni. W związku z przesyłaniem wzorów do druku 3D jednym z najpoważniejszych problemów prawnych w 3DP/AM jest cyberbezpieczeństwo.
Podsumowanie
Druk 3D/AM wraz z robotyką, internetem rzeczy, zaawansowanymi interfejsami człowiek–maszyna, genetyką i kilkoma innymi dziedzinami jest częścią trzeciej (a może czwartej?) rewolucji przemysłowej. Czasami nazywa się go rynkiem przemysłu 4.0 [79]. Firma Markets & Markets przewiduje, że rynek ten będzie w latach 2017–2022 rósł ze wskaźnikiem CAGR (ang. compound annual growth rate – skumulowanym rocznym wskaźnikiem wzrostu) wynoszącym 14,72% [80]. Największy udział w tym rozwoju mają mieć roboty przemysłowe, ale w zestawieniu najważniejszych graczy z tej branży pierwsze miejsce zajmuje firma General Electric, która jest bardzo aktywna w dziedzinie druku 3D/AM. Ponadto wymienione są takie firmy, jak Stratasys i 3D Systems, a więc giganci druku 3D, oraz wielkie korporacje przemysłowe, takie jak Siemens, prowadzące bardzo szeroko zakrojone prace mające na celu rozwój tej metody wytwarzania i jej przemysłowych zastosowań. Wydaje się natomiast, że jeszcze trochę poczekamy na wejście druku 3D do naszych domów. Przypomnijmy jednak, że w USA ta metoda wytwarzania jest opłacalna również w warunkach domowych [66].
Według prognoz co najmniej 40% wszystkich firm upadnie w ciągu następnych 10 lat… jeżeli nie potrafią one całkowicie zmienić swoich biznesów, wprowadzając nowe technologie [81]. Reasumując, według prezesa firmy 3D Systems Aviego Reichenthala pytanie, czy każdy będzie miał w domu drukarkę 3D, jest źle postawione. Zamiast tego należy zapytać, jak druk 3D wpłynie na nasze życie [82].
Helena Dodziuk
IChF PAN, hdodziuk@gmail.com
[↑] FDM (ang. fused deposition modeling) i FFF (ang. fused filament fabrication) opisują właściwie ten sam proces. Różnica między nimi polega na tym, że metoda FDM była chroniona patentem, a FFF – nie.
