A hajóépítés hosszadalmas, sok erőforrást igénylő tevékenység, még akkor is, ha készülő vízi jármű kisebb méretű, és a hagyományos deszkák helyett modern anyagokból, például üvegszálból készül. Először elő kell állítani a mintát, aztán rétegről rétegre felépíteni a műgyanta és üvegszál keverékéből álló hajótestet, végül elvégezni az utolsó simítások, amelyekből rengeteg van. Összességében a teljes folyamat még a legmodernebb gyártástechnológiákkal is hónapokat vehet igénybe, ez azonban rövidesen megváltozhat.
A Maine-i Egyetem kutatói ugyanis éppen most tesztelnek egy 8 méter hosszú járőrhajót, amelyet mindössze 72 óra alatt, egy 3D nyomtató segítségével gyártottak le.
A három dimenziós nyomtatókat az 1990-es években való megjelenésük óta egyre elterjedtebben használják az ipar minden területén. A prototípus-modellektől elkezdve a sugárhajtású hajtóművek egyes alkatrészein keresztül a fogászati koronákig rengeteg dolog készül a módszerrel. A technológia pedig a jelek szerint készen áll a szintlépésre, ami a méreteket illeti: a nyomtatók részben még fejlesztés alatt álló, új generációja sokkal nagyobb méretű tárgyakat képes előállítani, mint az elődök, és jóval gyorsabb is ezeknél.
Az Egyesült Államok hadserege megbízásából készült járőrhajó kinyomtatásához a maine-i kutatók az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium és az Ingersoll Machine Tools nevű cég munkatársaival működtek együtt. A labor szakértői a nyomtatási folyamat kidolgozásában vettek részt, az Ingersoll pedig magát a nyomtatót építette meg. A végeredmény alapján pedig az egyetem munkatársai bizakodva állíthatják, hogy a hajógyártásáról is ismert államban a 3D-technológia drámai változásokat hozhat, hiszen elképesztően lecsökkentheti a hajók előállítási idejét és költségeit.
Növekvő igények
Azt, hogy mekkora tárgyakat lehet egyben kinyomtatni, elsősorban nyilvánvalóan az határozza meg, hogy mekkora maga a nyomtató. A piacon megtalálható eszközök mérete jelenleg nem nagyon haladja meg egy méretesebb hűtőszekrény nagyságát, így ezek csak kisebb tárgyakat, alkatrészeket képesek előállítani. Az utóbbi években azonban a fejlesztők több módot is kidolgoztak a technológia skálázására. Az egyik ilyen megoldás, hogy a nyomtató mechanizmust nem egy dobozba zárják, hanem egy külső vázra szerelik fel. Az ilyen elrendezések ugyanakkor kezdetben elég lassúak és pontatlanok voltak, így a nyomtatott objektumokon rengeteg kézi utómunkát kellett elvégezni, mire használhatóvá váltak.
A Maine-i Egyetem nyomtatójának fejlesztői ezt a problémát úgy oldották meg, hogy a fúvókának helyet adó nyomtatófej egy síneken mozgatható bakdarun, egy kapuszerű szerkezeten kap helyet, amelynek síkjában a kívánalmaknak megfelelően mozoghat, miközben a sínek mentén az egész szerkezet képes ide-oda csúszni. A „tinta” hőre lágyuló, szénszálat tartalmazó, folyékony műgyanta, amelyet a fúvóka vízszintes rétegekben visz fel a gyártás alatt álló tárgyra. A daru és a nyomtatófej mozgását egy számítógép irányítja nagy precizitással, vékonyka rétegekből építve fel a szerkezetet.
Aki kezdetektől követte a 3D nyomtatók fejlődését, az pontosan tudja, hogy a módszer még pár évvel ezelőtt is igen időigényes volt, és a legkisebb tárgyak létrehozása is órákat, olykor napokat vett igénybe. A sebesség persze időközben sokat javult, mind az ipari, mind a kereskedelmi forgalomban kapható, asztali nyomtatók terén,
a maine-i gigaprinter kapcsán azonban tényleg az az első benyomása az embernek, hogy iszonyú gyors: a rendszer 70 kilogramm anyagot rétegez fel óránként.
A nyomtató jelenleg 30 méter hosszú, 7 méter széles és 3 méter magas tárgyakat képes előállítani, de ez a méret könnyen növelhető egy nagyobb bakdaru alkalmazásával. A fúvókát mozgató kar pedig az utómunkálatok elvégzését is megkönnyítheti, például felszerelhető egy automata marófejjel, amely eltávolítja a felszínről az esetleges hibákat.
A kutatók egyébként jelenleg többek közt a nyersanyag környezetkímélőbbé tételén is dolgoznak. Az egyik lehetőség, hogy a szénszálat cellulózra cserélik a tintában. Egy ilyen keverékből már le is gyártottak egy hajógyártáshoz használt mintát, amelyet alapos teszteknek tesznek ki a következő időszakban. A projektvezetők azt remélik, hogy sikerül kidolgozni egy olyan kompozit anyagot, amely gyakorlatilag 50 százalékban növényi eredetű, de olyan erős és könnyű, mint az alumínium. A távlati célok között szerepel a nyomtatás további gyorsítása is, hogy a rendszer óránként 230 kilogramm anyagot tudjon rétegezeni.
Változatos nyersanyagok
A hasonló méretekben zajló 3D nyomtatás hajógyártáson kívül persze más területeken is hasznos lehet. Az Oak Ridge Nemzeti Labor egyik saját, rokon rendszerével például egy 45 emeletes brooklyni épület különleges betonelemeinek sablonjait gyártották le nyomtatással. Az ilyen sablonokat alapesetben tehetséges asztalosok készítik el fából, és a kész sablonok mindössze 3–4 öntést bírnak ki. A 3D nyomtatott, szánszálas műanyag verziók azonban legalább 200 öntést átvészeltek, mielőtt pótolni kellett ezeket.
Oak Ridge-ben betonstruktúrák közvetlen nyomtatásával is kísérleteznek. A nyomtató szerkezetek méretét ugyanakkor nem praktikus egy bizonyos ponton túl növelni, így a módszer nem egyezik a hajógyártásban alkalmazottnál. Vagyis a szakértők nem egyben nyomtatják ki az épületeket, bár kisebb építmények esetén egy napon akár ez is elképzelhető lehet, hanem olyan betonelemeket gyártanak 3D nyomtatással, amelyekből aztán könnyen összeállítható egy-egy nagyobb struktúra.
Hasonlóan jártak el a pekingi Csinghua Egyetem kutatói is, akik két robotkar segítségével nyomtattak polietilén szálakkal kevert betonból készült elemeket, majd ezekből egy 26 méteres gyaloghidat raktak össze Sanghajban. A gyönyörű ívű építmény szerkezetében a világ egyik legősibb hídját, az 1400 éves Anji-hidat idézi. A gyaloghíd legyártása 450 órát vett igénybe, ami nem túl gyors, de a hagyományos építőipari projektek átlagos tempójához képest nem is rossz eredmény. És ami még fontosabb, a technológia kísérleti jellege ellenére a szakértők szerint
a gyártási költségek nagyjából 60 százalékát tették ki annak, mint hogyha a betonelemeket hagyományos módon, sablonokba öntve hozták volna létre.
A 3D nyomatás más formái is egyre nagyobbak és gyorsabbak lesznek. A Northwestern Egyetem kutatói egy HARP (high-area rapid printing) nevű technikán dolgoznak, amely ultraibolya fénnyel szilárdítja meg a folyékony műgyantát. Ennek során mindig alulra épül be a legújabb réteg, így a gyakorlatban úgy fest a módszer, mintha a kész tárgy varázsütésre kiemelkedne egy sekély polimertócsából. A prototípus 4 méter magas, közel 1 négyzetméteres alapterületű objektumokat tud nyomtatni.
A HARP során egy olajréteg is úszik a folyadékban, amely a meleg anyagot gyakorlatilag elszigeteli a kész részektől, így a rendszer nagyon gyorsan képes működni. Pár óra alatt például ki tud nyomtatni egy embermagasságú tárgyat, ami egy hagyományos 3D nyomtatóval napokat venne igénybe.
A technika további előnye, hogy változatos alapanyagokkal működik, amelyekből egyaránt lehetséges kemény, lágy és rugalmas tárgyakat kreálni. A szakértők már több száz polimerkeveréket kipróbáltak, de például szilícium-karbiddal kevert műgyantából gyártottak tárgyakat, amelyek a hőálló kerámiákhoz hasonlóan strapabírónak bizonyultak. A fejlesztők már egy céget is létrehoztak a nyomtató kereskedelmi értékesítésére, és az első ilyen rendszerű eszközök várhatóan másfél éven belül felbukkannak a piacon.
A határ a csillagos ég?
A 3D nyomtatás egyik legnagyobb kihívását jelenleg a nagy fémtárgyak létrehozása jelenti. A fémnyomtatás elsődleges módját jelenleg az jelenti, hogy fémport rétegelnek az objektumra, amit aztán lézerrel vagy elektronnyalábbal megolvasztanak. Az oxidálódás és a szennyeződések elkerülésére azonban mindezt zárt kamrákban kell végrehajtani, ami nem könnyíti meg a technika skálázását.
Az utóbbi időszakban azonban a fémnyomtatás terén is történtek áttörések. Az egyik egyre elterjedtebb módszer, hogy robotkarok végzik a nyomtatást, gyakorlatilag fogyóelektródás védőgázas hegesztőgépeket használva ehhez. Ilyenkor az elektródaként használt, folyamatosan pótlódó dróttal zajlik a nyomtatás, amit a munkadarab és az elektróda között kialakuló elektromos ív hevít fel, és olvaszt rá a felületre. A folyamat során a rendszer semleges gázt, például argont fúj a felületre, megvédve azt a szennyeződésektől és az oxidációtól.
A 3D nyomtatóként használt hegesztőgépeknél a robot rétegről rétegre viszi fel a fémet, nem kész darabokat hegesztve össze azzal, hanem a drótból hozva létre a legyártani kívánt tárgyat. Egy holland kezdeményezés, az mx3d, változatos tárgyakat állított elő a módszerrel, egyebek mellett egy könnyűszerkezetes kerékpárt és egy 12 méteres gyaloghidat. Utóbbi rozsdamentes acélból készült, és Amszterdamban, egy csatorna fölött fog átívelni.
Egy Los Angeles-i cég, a Relativity Space, rakétaalkatrészeket gyárt a metódussal. Robotjaik alumínium-ötvözet drótokból állítják elő a tárgyakat, és a cég mérnökei azt állítják, hogy a módszerrel kevesebb elemből összerakható rakétákat lehet létrehozni, amelyek ráadásul gyorsabban el is készülnek, mint hogyha hagyományos módon gyártanák le ezeket.
A Relativity Space nagy reményekkel tekint a jövőbe: terveik szerint saját, teljes egészében 3D nyomtatással készült Terran–1 rakétájuk jövőre indul el első útjára, 2021-től pedig már a kereskedelmi kilövések is beindulhatnak. A cég ráadásul nem csak földi telephelyekben gondolkodik: Stargate nevű projektjük keretében a Marsra vinnék a 3D nyomtatást, és a vörös bolygó felszínén gyártanának űrképes rakétákat.
