A technológia története (I. rész)
A 3D nyomtatás napjainkban – akár tudunk róla, akár nem – életünk szerves részét képezi. A technológia az Ipar 4.0 dinamikusan fejlődő iparága, ráadásul a felsőoktatásban is egyre több területen alkalmazzák. Érdemes tehát megismerkedni a történetével, ahogyan a sci-fi irodalomból Japánon át elindult világhódító útjára.
A Nemzeti Közszolgálati Egyetem több kutatási projektjében is egyre nagyobb szerepet kap a 3D nyomtatás, valamint a technológia alkalmazása az egyes szakterületeken (például a védelmi és a repülőgépiparban vagy éppen az oktatásban). Ebből kiindulva arra gondoltunk, hogy bemutatjuk a térbeli nyomtatást és annak innovációs szerepét.
A 3D gyártástechnológia az Ipar 4.0, vagy ahogyan emlegetni szokták, a negyedik ipari forradalom dinamikusan fejlődő, sokszínű iparágává vált. (Az Ipar 4.0 mint XXI. századi koncepció Németországból indult ki, 2011-ben ugyanis a németek kapcsolták össze a gyártási folyamatokat az informatikai hálózatokkal és a digitális adatokkal.) A 3D nyomtatás napjainkban – akár tudunk róla, akár nem – életünk szerves részét képezi. Éppen ezért érdemes megismerkedni vele: nézzük is a 3D nyomtatás kezdeti időszakát!
Az első lépések
Nincs könnyű dolgunk, mert ahogyan a technikatörténetben lenni szokott: egy időben, a világ különböző pontjain többen is dolgoztak ugyanolyan vagy hasonló technológián. Rengeteg kutatómunkát igényel az adatok pontosítása, a képek és a szabadalmi iratok megszerzése. A kezdetek, akárcsak a robotika történetében, úgy a térbeli nyomtatás históriájában is az irodalom területére vezetnek. A 3D nyomtatás ötlete egészen 1945-ig nyúlik vissza, amikor az amerikai sci-fi szerző, Murray Leinster (született: William Fitzgerald Jenkins) először írta le meglepő pontossággal az eljárást a „Things Pass By” című novellájában. Az író olyan gépet képzelt el, amely a rajzokat mozgó karral (mai fogalmaink szerint robotkarral) reprodukálja, és olvasztott műanyagból 3D-s objektumokat hoz létre. Ez volt a szálolvasztásos technológia első leírása.
Tíz évvel később a Massachusettsi Műszaki Egyetemen (Massachusetts Institute of Technology – MIT) Tim Anderson és Jim Bredt doktori disszertációjában már műszaki alapon fogalmazta meg a térbeli nyomtatás lehetőségét. Ezt az időpontot tekinthetjük a 3D nyomtatás születésének (1955).
A következő jelentős mérföldkő: 1969-ben Johannes F. Gottwald szabadalmat adott be Liquid Metal Recorder (LMR) eljárásra. Gottwald szabadalma az irodai nyomtató elvén működött, tinta helyett azonban fémcseppekkel hozta volna létre a 3D-s modellt. A berendezés folyékony fémet vett fel, majd a tálcán szórással alakította ki a tárgyat. Gottwald végül nem tudta megvalósítani a technológiát a szabadalom lejárta előtt. Elgondolása feledésbe merült, pedig ez a megoldás volt a fémnyomtatás őse!
1974-et írtunk, amikor David Edward Hugh Jones brit kémikus, író, feltaláló az egyik cikkében „Daedalus” álnéven pontosan lejegyezte a sztereolitográfiát (New Scientist, 1974. 10. 03., 80. p.). Írásában kifejtette a 3D-s modellek kialakításának és létrehozásának lehetőségét, miszerint a precíz lézerek a fényérzékeny monomerekből (szerves molekulákból) álló tartályt megvilágítva alkotnak tárgyakat. Ezzel megszületett a sztereolitográfia elve.
Japán büszkesége és a 3D nyomtatás atyja
A gyakorlati megvalósításban viszont már Japáné a dicsőség: 1980 februárjában Dr. Hideo Kodama egy nyomdatechnikai kiállításon látott eljárást alkalmazva elkészítette a világ első 3D-s modelljét! A házmodell 5 centiméter magas volt, valamint 27, egyenként 2 milliméter vastag gyantarétegből állt.
Kodama 1980. április 12-én szabadalmat kért találmányára. Rendszere a következőképpen működött: egy tartályt fotopolimer (fényre reagáló) anyaggal töltött fel, amelyet irányított UV-fénnyel világított meg. Az UV-fény rétegenként kikeményítette és felépítette a 3D-s modellt. Ez volt az egy lézersugaras kikeményítés, a sztereolitográfia. A feltaláló pedig itt nem állt meg. 1981-ben szabadalmat nyújtott be 3D nyomtatóra, ahogy ő nevezte: „XYZ plotterre”. A berendezést azonban a nagoyai kutatóintézetben nem értékelték, ezzel a szabadalmi jog megszerzése félbemaradt. Kodama haragjában megsemmisítette az eredeti házmodellt, így annak csak a fényképe ismert. A 3D nyomtatással pedig felhagyott.
A 3D nyomtatás atyjaként emlegetett Charles W. Hull 1983-ban egy olyan amerikai vállalatnál dolgozott, ahol a bútorelemekre UV-fény segítségével műanyag réteget helyeztek fel. Hullnak ez a technológia adta az ötletet kísérleteihez. Felismerte, hogy számítógép segítségével a rétegekből akár több ezret is egymásra helyezhet, végeredményként pedig összefüggő térbeli alakzatot kaphat. Eljárásában az UV-fényre keményedő, folyékony halmazállapotú polimerben (nagy molekulájú, szerves anyagban) a rétegeket külön-külön keményítette meg az UV-fénysugárral. Ez a módszer a már említett sztereolitográfia (SLA). 1983. március 9-én Hull SLA-val készítette el a világ első 3D-s használati tárgyát, egy gyertyatartót.
1984-ben a franciák is megvalósították a sztereolitográfiás nyomtatást. Ailen le Méhauté, Olivier de Witte és Jean-Claude André, a fotokémia elismert szakemberei szabadalmat adtak be SLA 3D nyomtatásra. Két vállalat, a CILAS és az Alcatel-Alsthom azonban nem fizette a szabadalom fenntartásának költségeit, mert nem láttak benne üzleti lehetőséget. Így a siker Charles W. Hullé lett.
Hull egyébként 1986-ban kapta meg a szabadalmat az SLA-ra. Ugyanebben az évben a kaliforniai Valenciában megalapította saját cégét, a 3D Systemst, amely világelsőként SLA nyomtatókat gyártott, továbbá máig vezető szerepet tölt be a 3D nyomtatási iparágban.
1984-ben Dr. Carl Deckard, a Texas Egyetem professzora CAD-rajzokból nyert adatok alapján megalkotta az első koncepciót, amely lézersugarat vagy elektronokat használ por anyagrétegek szelektív olvasztására. A technológiát két évvel később szabadalmaztatta. Ez lett a szelektív lézer szinterezés (SLS – Selective Laser Sintering). Így pedig megnyílt az út a 3D nyomtatás széles körű ipari alkalmazása előtt. 1987-ben Deckard vezetésével megalakult a DTM Inc., vagyis az első SLS technológiára épülő 3D nyomtatókat gyártó cég.
A fentiekből is látható, hogy a 3D nyomtatás az első, novellabeli említéstől számítva valamivel több mint 40 év alatt óriásit lépett előre. Következő írásunkban a technológia továbbfejlődését mutatjuk be.
