Drukowanie w wielu wymiarach

„Druk 3D” to pojęcie używane jako ogólne określenie nowoczesnych metod wytwarzania, jednak w ujęciu inżynierskim jest zbyt wąskie — odnosi się bowiem do jednego z procesów technologii przyrostowych. Wytwarzanie przyrostowe (Additive Manufacturing) to metoda produkcji obiektów na podstawie cyfrowego modelu poprzez stopniowe dodawanie-drukowanie materiału, warstwa po warstwie.

Technologie przyrostowe stanowią dziś ważny element trwającej rewolucji przemysłowej i zostały ujęte w strategii rozwoju Politechniki Krakowskiej jako jeden z Priorytetowych Obszarów Badawczych. Jednocześnie dostęp do nich nie ogranicza się już wyłącznie do przemysłu. Drukarki 3D stały się powszechnie dostępne, co otwiera możliwości ich szerokiego wykorzystania w badaniach naukowych, edukacji i projektach indywidualnych.

Aby w pełni wykorzystać potencjał technologii przyrostowych, kluczowe jest właściwe przygotowanie projektu cyfrowego modelu, uwzględniające specyfikę danej metody druku, właściwości urządzenia, dobór materiału oraz procesy towarzyszące. Wymaga to zmiany sposobu myślenia projektantów i stałego śledzenia innowacji w tej dynamicznie rozwijającej się dziedzinie. Ma to miejsce właśnie na Politechnice Krakowskiej.

Prace nad technologią druku 3D rozpoczęły się już w latach 80. ubiegłego wieku. Prowadziło je wielu inżynierów, którzy szukali sposobu na skrócenie czasu prototypowania. Ci, którym się udało opatentować swoje pomysły, komercjalizowali je, zakładając firmy. Przełom w dalszym rozwoju i upowszechnieniu druku 3D nastąpił dopiero na początku XXI wieku. Powód był prozaiczny: w latach 2005—2009 wygasły zastrzeżenia patentowe dotyczące wspomnianych wcześniej wynalazków. Drukarki 3D, będące do tej pory bardzo kosztownymi, skomplikowanymi, przemysłowymi urządzeniami, rozpoczęły wędrówkę „pod strzechy”. Było to możliwe dzięki wzrastającej społeczności użytkowników, zafascynowanych potencjałem tej technologii. Pasjonaci udostępniali otwarte projekty urządzeń do samodzielnego zbudowania. Powstały firmy, oferujące przystępne cenowo drukarki — kilku znaczących producentów znajduje się w Polsce. Rozpoczęło się konkurowanie nie tylko ceną, ale również szybkością i jakością druku rozmaitych materiałów oraz przyjaznością obsługi.

Jedną z powszechnie używanych metod druku 3D jest FDM (Fused Deposition Modelling). Materiał w postaci żyłki filamentu z tworzywa termoplastycznego przechodzi przez gorącą dyszę o temperaturze mogącej przekraczać nawet 350° C i w plastycznej postaci jest układany warstwami na stole roboczym. Po ostygnięciu położony materiał utwardza się i wiąże się z sąsiadującym. Istnieje wiele rozwiązań sposobu poruszania się głowicy względem stołu; przestrzeń robocza może być otwarta lub zamknięta, z kontrolowaną temperaturą wewnątrz. Drukarki mogą różnić się także liczbą głowic i sposobem podawania filamentu.

Ze względu na liniowy sposób układania ścieżki filamentu nie jest to najszybsza metoda i nie zapewnia też najwyższej jakości powierzchni. Ale niewątpliwą zaletą drukarek FDM jest ich przystępna cena, prosta i niekłopotliwa obsługa — stąd ich popularność na rynku konsumenckim. Metoda ta pozwala ponadto korzystać z szerokiej palety materiałów. Najpopularniejszym jest PLA (polilaktyd): polimer pochodzący z surowców naturalnych, a więc biodegradowalny, łatwy w użyciu i twardy, ale niestety kruchy. Większą wytrzymałość mechaniczną zapewnia PETG (politereftalan etylenu z glikolem), który jest także wodoodporny. Materiałem inżynieryjnym o wysokiej wytrzymałości i odporności jest ABS (mieszanka akryloni­trylo-butadieno-styrenu), ale wymaga drukarek wyposażonych w zamknięte komory, ze względu na szkodliwe opary i konieczność kontroli temperatury. Tworzywem, które pozwala drukować elastyczne przedmioty, jest TPU (poliuretan termoplastyczny): przypomina gumę i jest odporny na ścieranie. Żyłki filamentu mogą zawierać domieszki, tworzące materiały kompozytowe. Dodatek pyłu drzewnego do PLA pozwala drukować przedmioty, wyglądające i pachnące jak drewniane. Dostępne są filamenty z materiałem fluorescencyjnym, świecące w ciemności. Użytkownicy zaawansowanych urządzeń mogą wybrać do bardziej obciążonych mechanicznie części tworzywa wzmacniane włóknem węglowym, które zapewnią kompozytowi wysoką sztywność przy zachowaniu lekkości.

Polimeryzacja kadziowa to zupełnie inny rodzaj druku 3D niż druk z filamentu. Wykorzystuje ona zjawisko utwardzania światłem płynnej żywicy światłoczułej, znajdującej się w kadzi. Aby światło znalazło się w miejscach przewidzianych do utwardzenia, można wykorzystać wiązkę laserową (w metodzie stereolitografii SLA) albo projektor (DLP — Digital Light Processing) lub ekran LCD (MSLA — Masked SLA), który jednocześnie mapuje obraz całej warstwy. Ogromną zaletą tego sposobu jest bardzo wysoka jakość detali, co sprawia, że świetnie pasuje do druku pre­cyzyjnych modeli.

Standardowe żywice są jednak dość kruche, więc stosuje się je raczej do przedmiotów nieobciążonych mechanicznie. Do bardziej odpowiedzialnych zastosowań lepiej nadają się żywice techniczne, które mogą mieć właściwości zbliżone do ABS lub gumy. Bardzo konkretne przeznacze­nie mają żywice odlewnicze, które są używane do tworzenia modeli kształtujących formy odlewnicze w protetyce lub jubilerstwie. Jeszcze bardziej specjalistyczne przeznaczenie mają żywice z fazą ceramiczną, o czym piszemy dalej.

Technologia druku żywicznego w zastosowaniach konsumenckich ma pewne wady — towarzyszą jej toksyczne opary, a po wydruku wymagane są dodatkowe czynności m.in. mycie i końcowe naświetlanie utwardzające.

Najwyższa półka drukarek 3D to przemysłowe drukarki, tworzące przedmioty poprzez utrwalanie kolejnych warstw proszku. W metodzie SLS do spiekania proszku używa się promienia lasera, a bazą najczęściej jest sproszkowane tworzywo sztuczne. Najpopularniejszy jest nylon (poliamid), który nadaje się nie tylko do druku prototypów, ale nawet do krótkich serii wytrzymałych, elastycznych i odpornych chemicznie wyrobów. Właściwości nylonu pozwalają wykonać funkcjonalne mechanizmy, wykorzystujące np. giętkie zawiasy.

Używając laserów o wyższej mocy, można spiekać proszki metali: stali, stopów tytanu, miedzi, wolframu, niklu i metali szlachetnych. Różnią się one nie tylko temperaturą wymaganą do spiekania lub topienia, ale także odpornością na utlenienie. Wpływa to więc na wymagania dotyczące zarówno mocy, jak i warunków w komorze roboczej.

W metodzie DMLS (Direct Metal Laser Sintering) drobiny metalu są ze sobą spiekane promieniem lasera, a w me­todzie SLM (Selective Metal Melting) są nim stapiane. Aby uchronić metal przed utlenieniem, proces ten może odbywać się w osłonie gazu obojętnego w szczelnej komorze. Po wydruku niezbędna może być dalsza obróbka cieplna, a właściwości tak wykonanych przedmiotów są zbliżone do klasycznych odlewów.

Jeszcze większe skupienie energii do topienia metalicz­nego proszku, a zatem szybkość i dokładność, można uzyskać, wykorzystując strumień elektronów w komorze próżniowej. Technologia EBM (Electron Beam Melting) pozwala na tworzenie przedmiotów z tytanu, miedzi i stopów kobaltowo-chromowych.

Druk 3D z proszku przez spiekanie lub topienie jest jednak procesem drogim. Ma tańszą alternatywę — w metodzie Binder Jetting do wiązania drobin proszku można użyć specjalnej żywicy, która w miejscach wymagających związania jest natryskiwana głowicą drukującą, a następnie utwardzana światłem UV. Taki sposób warstwowego wiązania spoiwem bez użycia ciepła pozwala na użycie praktycznie dowolnego sproszkowanego materiału. Mogą być to drobiny metalu, ceramiki czy po prostu piasek (wydruki z piasku są używane do produkcji form odlewniczych). Po wydruku z proszku metalicznego lub ceramicznego uzyskuje się kruchy półprodukt, który następnie jest wygrzewany, by utwardzić spoiwo. Do uzyskania pełnej wytrzymałości i wypalenia lepiszcza wymagane jest spiekanie w wysokiej temperaturze. Możliwa jest jeszcze infiltracja porowatej struktury wydruku innym materiałem, np. brązem.

Wysoka wydajność metody Binder Jetting pozwala na wyjście poza produkcję jednostkową, przy zachowaniu wszystkich zalet proszkowej technologii przyrostowej. Politechnika Krakowska na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Fizyki dysponuje przemysłową drukarką Binder Jetting firmy ExOne. Jej możliwości nie są ograniczone do druku z mate­riałów katalogowych. Pozwala ona także na badanie naukowe niewielkich ilości niestandardowych proszków, czemu sprzyja stosunkowo mała pojemność zasypowa i podajnik ultradźwiękowy. Zespół kierowany przez dr. hab. inż. Janusza Mikułę, prof. PK eksperymentuje z mieszankami metali lub ceramiki o ekstremalnych właściwościach np. odporności na ścieranie. Badania obejmują również inne etapy technologii przyrostowej — tworzone są modele numeryczne, które przewidują zachowanie się wydruków w trakcie cieplnej obróbki wykańczającej. Pozwala to skompensować skurcz lub deformację już na etapie projektu cyfrowego.

Druk 3D nie musi być ograniczony wyłącznie do przestrze­ni komory drukującej, może być skalowany przestrzennie. Zwiększenie zasięgu pracy głowicy drukującej na ramieniu robotycznym lub rozbudowanie konstrukcji bramowej po­zwalają na druk pełnowymiarowych silników rakietowych, kadłubów łodzi czy nawet budynków.

Holenderska firma CEAD opracowała system do produkcji kadłubów łodzi technologią przyrostową. Drukowanym tworzywem jest odporny na warunki morskie wytrzymały kompozyt HDPro, wzmocniony włóknem szklanym. Pełna automatyzacja procesu druku 3D pozwala na uzyskanie jednolitego elementu o skomplikowanej budowie wewnętrznej, z licznymi komorami i wzmocnieniami, bez jakiejkolwiek przerwy technologicznej. Podczas tradycyjnego laminowania przez pracujących w szkodliwych warunkach było to niemożliwe. W efekcie drukowanie 3D skróciło czas budowy o 60–80 proc. Przewagą technologii przyrostowej nad laminowaniem jest też brak konieczności wykonania bardzo dro­giej formy, co więcej — każdy kadłub może być wykonany według indywidualnego projektu.

Technologie kosmiczne są spektakularnym przykładem adaptacji technologii przyrostowych. W ten sposób już powstają silniki rakietowe lub nawet kadłuby rakiet. W kosmicznym wyścigu liczy się każdy gram oszczędzonej masy, bo może przełożyć się na większy ładunek użyteczny. Dzięki drukowi 3D łatwiejsza jest optymalizacja konstrukcji silników rakietowych, zwiększająca ich sprawność. Precyzyjne wykonanie rozbudowanych struktur pozwala na integrację w jednej części wielu funkcji. Prostsza konstrukcja zarazem zmniejsza masę i zwiększa niezawodność, obniża koszty i przyspiesza produkcję. Potencjał wykorzystania technologii przyrostowych w zastosowaniach kosmicznych nie ogranicza się jedynie do rakiet.

Druk 3D planowany jest do budowy księżycowych czy marsjańskich habitatów z regolitu (powierzchniowego pyłu skalnego) i syntetycznego spoiwa. Takie bazy to jeszcze sprawa przyszłości, ale na naszej planecie budownictwo w technologii przyrostowej zaczyna przyciągać uwagę swoimi możliwościami. Można spodziewać się wręcz rewolucji architektonicznej, która zaowocuje projektami inspirowanymi formami naturalnymi lub generatywnymi. Dotychczas takie formy były rzadko stosowane ze względu na wysokie koszty budowy tradycyjnymi metodami z wykorzystaniem szalunków. Niskim kosztom, wynikającym z automatyzacji procesu, ma towarzyszyć znacznie większa szybkość budowania. Technologia budowania drukiem 3D nie ogranicza się przy tym do betonu. Na Uniwersytecie Maine testowany jest budynek wydrukowany z włókien drzewnych i żywic naturalnych. Możliwe jest nawet wykorzystanie do druku 3D lokalnego materiału w postaci gliny lub odpowiedniej ziemi, co sprawia, że może być to technologia dosłownie zeroodpadowa.

Politechnika Krakowska jest jednym z liderów w Polsce w wykorzystaniu technologii przyrostowej w budownictwie. Badania prowadzone na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Fizyki przez zespół dr. hab. inż. Janusza Mikuły, prof. PK; dr. hab. inż. Michała Łacha, prof. PK oraz dr. inż. Dariusza Mierzwińskiego skupiają się na innowacyjnym wykorzystaniu geopolimerów. Jest to ekologiczny materiał z surowców odpadowych, charakteryzujący się bardzo korzystnymi właściwościami: ma wysoką odporność ogniową i chemiczną. Specjaliści z Politechniki opracowali sposób przygotowania geopolimerowej mieszanki do druku 3D. Wymagało to zastosowania domieszek, które zapewniają utrzymanie płynności mieszanki w przewodach przed głowicą drukującą, ale po jej opuszczeniu nie pozwalają na rozlewanie się. Innym wyzwaniem jest czas wiązania, który musi być na tyle krótki, by utwardzenie nastąpiło przed położeniem kolejnej warstwy. Jest to interdycyplinarna technologia wymagająca współpracy wielu specjalistów z różnych dziedzin — na przykład na Wydzia­le Mechanicznym doskonalona jest konstrukcja głowic drukujących i systemów podających.

Druk 3D budynków jest jeszcze pionierską technologią i brakuje dedykowanych jej metod diagnostycznych i pomiarowych, które mogą ocenić stan i bezpieczeństwo wydrukowanych konstrukcji. Badania prowadzone na Wydziale Inżynierii Lądowej przez zespół prof. Izabeli Hager dotyczą określenia parametrów wytrzymałościowych wydruków, przyczepności warstw oraz możliwości modyfikacji składu mieszanek w kierunku uzyskania niskoemisyj­nych materiałów drukowanych.

Przełomem może być metoda DFOS (Distributed Fiber Optic Sensor), opracowywana przez interdyscyplinarny zespół dr. inż. Tomasza Howiackiego z Wydziału Inżynierii Lądowej PK. Wykorzystuje ona dane ze światłowodu zatopionego w materiale ściany. Pozwala to uzyskać dokładne informacje na temat rozkładu odkształceń mechanicznych i termicznych na całej długości pomiarowej, z rozdzielczością rzędu 1 mm, i wykrywać lokalne zagrożenia ciągłości materiału.

Druk 3D znosi wiele ograniczeń tradycyjnych technologii i stwarza zupełnie nowe możliwości, które wymuszają zmianę filozofii projektowania. Aby w pełni wykorzystać te możliwości, należy używać odpowiednich programów do komputerowego wspomagania projektowania CAD i wytwarzania CAM. W ten sposób powstało projektowanie do wytwarzania przyrostowego DfAM (Design for Additive Manufacturing). Inżynier zyskuje w nim praktycznie pełną swobodę kształtowania części z różnych materiałów, ograniczoną tylko przez dostęp do drukarki 3D i jej możliwości.

Technologia przyrostowa przynosi także korzyści lo­gistyczne. Produkcja na miejscu skraca do minimum łańcuch dostaw i może wyeliminować konieczność utrzymywania zapasów. Zamiast nich wystarczy cyfrowa biblioteka z projektami części oraz odpowiednio wydajne drukarki 3D. Takie podejście wydaje się niezastąpione jako zabezpieczenie m.in. stacji antarktycznych lub kosmicznych.

Pełne wykorzystanie potencjału wytwarzania przyrostowe­go wymaga zrozumienia specyfiki poszczególnych technik druku 3D i uwzględnienia ich na etapie projektowania. Ewentualne ograniczenia można obejść korektami geometrii lub ustawieniami procesu drukowania. Bardzo pomocne w tym jest coraz bardziej inteligentne oprogramowanie do projektowania, ale nie zastąpi ono doświadczenia i inteligencji projektanta, pozwalających zawczasu uniknąć problematycznych rozwiązań. Trzeba też pamiętać, że w trakcie druku 3D zachodzi wiele procesów chemicznych i cieplnych. Ich skutkiem ubocznym jest powstawanie naprężeń, które mogą doprowadzić do skurczu lub deformacji. Kontrola wymiarów jest więc bardzo ważnym etapem technologii przyrostowej. Na Politechnice Krakowskiej działają laboratoria wyposażone w odpowiedni sprzęt po­miarowy. Wiodące — w skali międzynarodowej — jest Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej, które dysponuje najwyższej klasy instrumentami przeznaczonymi m.in. do pomiarów skomplikowanych geometrycznie kształtów. Pozwala to zweryfikować, w jakim stopniu wydrukowany przedmiot odpowiada projektowi.

Nawet konsumenckie drukarki 3D pozwalają na druk wielokolorowy. Ale dopiero łączenie w jednym wydruku materiałów o różnych właściwościach otwiera zupełnie nowe możliwości. Stosunkowo łatwo połączyć w jednym wydruku sztywny materiał z elastycznym, nieprzeźroczysty z przeźroczystym, niemagnetyczny z magnetycznym.

W technologii przyrostowej można zaprojektować i wykonać „inteligentne” przedmioty, nadając im kształt i właściwości, które spowodują odpowiednią reakcję na bodźce. Druk 3D uzyskuje wtedy nowy wymiar — czasu i powstaje obiekt 4D. Przykładem takiego zastosowania są stenty, które po wprowadzeniu do naczyń krwionośnych rozszerzają się pod wpływem ciepła. Mogą być to materiały na buty lub odzież, reagujące na wilgotność i zwiększające wentylację. Przedmioty 4D mogą być zastosowane np. w kosmosie — panele fotowoltaiczne lub anteny mogą być tak wydrukowane, by po złożeniu zajmowały jak najmniej miejsca w transporcie, a na orbicie rozkładały się samoczynnie.

Istotny problem pojawia się jednak przy łączeniu materiałów o różnej wytrzymałości na parametry przetwórcze, takie jak temperatura materiału w trakcie procesu druku 3D, co ma miejsce przy łączeniu tworzywa oraz metalu w pojedynczym procesie. W klasycznych technikach druku 3D z metalu, opartych na spiekaniu proszków metalicznych, stosuje się bardzo wysokie temperatury przetwarzania metalu, mogące spowodować zniszczenie elementów wykonanych z większości znanych tworzyw sztucznych. Dlatego bardzo trudne jest opracowanie techniki wielomateriałowego druku 3D pełnoprawnych detali hybrydowych metalowo-polimerowych. Taki detal hybrydowy posiada jeden lub więcej elementów z tworzywa oraz jeden lub więcej elementów z metalu, wytworzonych w pojedynczym procesie druku 3D. Badania nad takimi detalami hybrydowymi są prowadzone na Politechnice Krakowskiej przez zespół dr. inż. Macieja Pilcha. Zastosowano dwie zupełnie odmienne technologie — druku 3D z wykorzystaniem fotopolimeryzacji żywic oraz elektroosadzania metalu. Dzięki temu, iż elektroosadzanie metali, w przeciwieństwie do procesu spiekania proszków metali wykorzystywanego w klasycznych drukarkach 3D do metalu, może zachodzić w pokojowej temperaturze, która nie powoduje zniszczenia elementów z tworzyw wytwarzanych z zastosowaniem fotopolimeryzacji żywic, możliwym stało się wytwarzanie detali hybrydowych, metalowo-polimerowych w pojedynczym procesie druku 3D. Dodatkowo fotopolimeryzacja żywic może zachodzić bezpośrednio w środowisku kąpieli galwanicznej, gdzie zachodzi druk 3D z metalu przez elektroosadzanie. Dzięki połączeniu tych dwóch procesów (fotopolimeryzacji i elektroosadzania) możliwym stało się więc zbudowanie stosunkowo prostej wielomateriałowej drukarki 3D do druku detali hybrydowych, metalowo-polimerowych w pojedynczym procesie druku 3D. Warto zaznaczyć, iż olbrzymią zaletą takich detali jest zmniejszony stosunek masy do wytrzymałości takiego detalu, nawet do 40 proc. Można więc opracować detale takie jak części maszyn, znacznie lżejsze od detali z litego metalu, a jednocześnie posiadające niezmienione właściwości wytrzymałościowe. Zaproponowana przez dr. M. Pilcha technika wielomateriałowego druku 3D detali hybrydowych typu metal-tworzywo w przyszłości może więc zostać zastosowana do druku 3D części maszyn, szczególnie maszyn transportowych (np. samolotów, samochodów), tam gdzie stosunek masy do wytrzymałości części ma bardzo duże znaczenie.

Technologia przyrostowa nie zawsze może dostarczyć pro­dukty o docelowych parametrach, np. jakość powierzchni bądź dokładność. W takich przypadkach trzeba wspomóc się użyciem innych technologii, które pozwalają osiągnąć wymagane parametry. Może być to np. szlifowanie zbyt chropowatych powierzchni metalowych wydruków za pomocą obróbki CNC. Połączenie tych technologii wykorzystuje się np. w przypadku produkcji łopatek turbin, które muszą mieć bardzo skomplikowaną budowę wewnętrzną, z licznymi kanałami, zapewnioną drukiem 3D, a jednocześnie bardzo gładką powierzchnię zewnętrzną, precyzyjnie wykończoną obróbką mechaniczną.

Możliwości kształtowania drukiem 3D okazały się idealne dla nowej metody projektowania generatywnego (Generative Design) z wykorzystaniem algorytmów. W tej metodzie projektant określa warunki brzegowe, które muszą być spełnione: jaka przestrzeń jest „dozwolona”, czyli gdzie może znaleźć się materiał; jaka przestrzeń jest „zabroniona”, czyli gdzie nie może być obecny materiał; jakie są obciążenia i gdzie będą przyłożone. Zadane są oczywiście materiał i jego właściwości oraz kryterium optymalizacji. Na podstawie tych danych algorytm generuje wstępnie propozycję bryły, która jest następnie poddana symulacjom wytrzymałościowym. W trakcie procesu powstają kolejne generacje bryły, wzmacniane w miejscach krytycznych lub odchudzane tam, gdzie nie ma naprężeń, aż spełnione zostaną zadane warunki brzegowe. Projektant otrzymuje do wyboru wiele różnych rozwiązań, które może użyć lub wybrać do dalszych prac optymalizacyjnych według jeszcze innych kryteriów. Używane w tym procesie algorytmy generatywne tworzą elementy zadziwiająco przypominające spotykane w naturze — kości lub korzenie. Ich wewnętrzna struktura także może przypominać rozwiązania naturalne — jest ażurowa o gęstości odpowiedniej do przenoszonych naprężeń. Tam, gdzie naprężenia są mniejsze — struktura może być rzadsza, gdzie większe — gęściejsza. Ten bionicz­ny, bardzo wydajny sposób optymalizacji konstrukcji nie był jednak dotąd stosowany z powodu ograniczeń dotychczas używanych technologii wytwarzania. Wraz z rozszerzeniem możliwości technologii przyrostowej przedmioty zaprojektowane generatywnie są coraz częściej stosowana tam, gdzie przynosi to duże korzyści: w przemyśle kosmicznym, lotnictwie, medycynie czy sporcie wyczynowym. Można się z nimi spotkać także w architekturze — jeden z pierwszych wydrukowanych metalowych mostów ma właśnie charakte­ystyczną generatywną strukturę przestrzenną.

Naśladowanie natury jest wskazane podczas projektowania elementów, które mają współpracować lub zintegrować się z żywymi tkankami. Mogą to być pracujące na zewnątrz spersonalizowane ortezy lub protezy, wydrukowane według projektu opartego na trójwymiarowym skanie. Większym wyzwaniem jest stworzenie materiałów i struktur implantów do wewnętrznego użycia. Naukowcy Politechniki Krakowskiej w zespole pod kierownictwem dr hab. inż. Joanny Ortyl, prof. PK z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej opracowali do tego celu innowacyjne fotoutwardzalne żywice wysokoupakowane materiałem bioceramicznym. Stopień upakowania fazy ceramicznej osiąga 70 proc., wobec 40 proc. w produktach dostępnych na rynku. Po wydrukowaniu w technologii DLP i wypaleniu wydruk przypomina chemicznie i strukturalnie ludzką kość i jest planowany jako przyszły materiał do tworzenia implantów kostnych do rekonstrukcji ubytków kostnych. Biozgodność strukturalna i materiało­wa implantów pozwala na ich narastanie naturalną tkanką kostną, czyli na osteointegrację.

Dr inż. Monika Topa-Skwarczyńska z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej w zespole dr hab. inż. Joanny Ortyl, prof. PK prowadzi badania nad nowoczesnymi mate­riałami i technologią druku 3D w stomatologii. W ramach projektu LIDER XIII, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, opracowywane są innowacyjne światłoutwardzalne żywice oraz kompatybilna z nimi drukarka 3D. Projekt, którego jest kierownikiem, koncentruje się na materiałach do wykonywania tymczasowych koron i mostów stomatologicznych. Kluczowym elementem badań jest zastosowanie nowego mechanizmu fotoutwardzania oraz monomerów epoksydowych, charakteryzujących się obniżonym skurczem polimeryzacyjnym oraz brakiem toksyczności. Równolegle opracowywane są wydajne fotoinicjatory, które umożliwiają szybki i precyzyjny druk 3D o wysokiej rozdzielczości.

Naturalnym krokiem dalszego rozwoju badań jest projekt OPUS 29, finansowany przez Narodowe Centrum Nauki, w którym zakres prac zostaje rozszerzony poza materiały tymczasowe. Celem projektu jest opracowanie innowacyjnych materiałów bioceramicznych oraz technologii ich wytwarzania metodą fotoutwardzalnego druku 3D i obróbki cieplnej. W ramach tego projektu prowadzone są badania nad nową generacją ceramicznych implantów stomatologicznych, charakteryzujących się wysoką wytrzymałością mechaniczną, odpornością na degradację oraz kontrolowaną porowatością, sprzyjającą skutecznej osseointegracji. Opracowywane rozwiązania mają pozwolić na przejście od drukowanych elementów tymczasowych do w pełni funkcjonalnych, spersonalizowanych implantów stomatologicznych nowej generacji.

Kolejnym etapem rozwoju biotechnologii przyrostowych jest wykorzystanie żywych komórek, które są składnikami materiałów do druku 3D. Otwiera to nowe możliwości dla medycyny np. tworzenie modeli narządów do testowania leków lub drukowanie zastępczej skóry z namnożonej tkanki bezpośrednio na rany.

O tym, że Politechnika Krakowska poważnie traktuje znaczenie technologii przyrostowych, świadczy unikalny kierunek studiów II stopnia additive manufacturing na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Fizyki PK. Podczas studiów stacjonarnych prowadzonych w języku angielskim studenci tego kierunku mogą zapoznać się z tą zaawansowaną technologią, zdobywając wiedzę z zakresu inżynierii materiałowej, inżynierii mechanicznej, fizyki oraz praktyczne doświadczenie podczas pracy na najnowocześniejszym sprzęcie.

W wielu przypadkach jedynym sposobem na szybkie stworzenie makiety architektonicznej lub precyzyjnych modeli aerodynamicznych, działającego prototypu jest właśnie druk 3D. Studenci Politechniki Krakowskiej łatwo mogą zdobyć doświadczenie w druku 3D podczas prac w kołach naukowych, tworzących innowacyjne rozwiązania.

Koło Naukowe el-RAPPRO, działające przy Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Politechniki Krakowskiej, zostało założone w 2020 r. przez dr. inż. Zbigniewa Pilcha wraz z grupą studentów, którzy dostrzegli potrzebę stworzenia przestrzeni do realizacji ambitnych projektów technologicznych, wykraczających poza standardowy program studiów. Impulsem była rosnąca aktywność studentów w obszarze nowych technologii — szczególnie druku 3D, automatyki oraz systemów elektronicznych. W KN el-RAPPRO mogą się ich nauczyć i wdrożyć je w realnych rozwiązaniach. Efektem rozwoju koła było utworzenie przez jego członków oraz opiekunów — dr. inż. Zbigniewa Pilcha i mgr. inż. Macieja Gibasa — firmy NewPrompt Sp. z o.o. Nieocenioną pomocą była współpraca ze spółką INTECH PK, reprezentowaną przez Izabelę Paluch, która pomogła dopełnić formalności administracyjnych. NewPrompt to spółka technologiczna spin-off, zajmująca się wdrażaniem rozwiązań z zakresu sztucznej inteligencji, druku 3D oraz nowoczesnych narzędzi cyfrowych. Firma jest przykładem skutecznego transferu wiedzy z uczelni do biznesu — pokazuje, że działalność koła naukowego może być początkiem realnego przedsięwzięcia technologicznego o potencjale komercyjnym.

Innym przykładem kompleksowego podejścia do rozwoju technologii przyrostowych oraz ich zastosowań w inżynierii materiałowej, projektowaniu przestrzennym, medycynie, sporcie, architekturze i sektorze kreatywnym jest Interdyscyplinarne Koło Naukowe FutureLab 3D Masters. Opiekunem wspieranego przez FutureLab PK koła jest dr inż. Maciej Pilch. Aktywność koła koncentruje się na prowadzeniu aplikacyjnych badań, których celem jest nie tylko opracowanie prototypowych rozwiązań technologicznych, lecz również ich weryfikacja w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, z uwzględnieniem aspektów użytkowych, mechanicznych i środowiskowych. Realizowane projekty łączą zaawansowane metody modelowania komputerowego, inżynierię materiałową oraz eksperymentalne metody badań, co pozwala na tworzenie innowacyjnych rozwiązań o wysokim potencjale wdrożeniowym.

Jednym z kluczowych przedsięwzięć badawczych koła naukowego w obszarze druku 3D było opracowanie pierwszej wiatroodpornej, luminescencyjnej piłeczki do tenisa stołowego o innowacyjnej strukturze, a także przeprowadzenie kompleksowych badań w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Aerodynamiki Środowiskowej PK w ramach projektu Futurelab. Projekt ten wykazał potencjał technologii przyrostowej w wytwarzaniu spersonalizowanego sprzętu sportowego o rozszerzonych funkcjonalnościach. Istotnym nurtem badań, prowadzonych w ramach koła, było opracowanie technologii druku kompozytowych, luminescencyjnych wzorów na odzieży z wykorzystaniem drukarki 3D oraz żywic fo­toutwardzalnych. Innym osiągnięciem FutureLab 3D Masters była adaptacja drukarki filamentowej do wytwarzania wypieków z jadalnych mas spożywczych. Szczególnie ważnym społecznie obszarem badań koła jest realizowany obecnie projekt FutureLab dotyczący opracowania innowacyjnych fotoutwardzalnych materiałów kompozytowych do druku 3D złożonych struktur ortez kończyn. Projekt ten wpisuje się w nurt medycyny spersonalizowanej i nowoczesnej ortotyki, w której kluczową rolę odgrywa szybkie dostosowanie wyrobu do indywidualnych potrzeb pacjenta przy obniżeniu kosztów jednostkowych i skróceniu czasu wytwarzania. Analiza komfortu użytkowania wykazała, że zastosowanie drukowanych struktur ażurowych umożliwia poprawę komfortu pacjenta oraz redukcję masy wyrobu przy zachowaniu wymaganej wytrzymałości mechanicznej. Równolegle w ramach działalności studenckiego koła naukowego realizowane były projekty z zakresu zastosowań druku 3D w budownictwie i architek­turze zrównoważonej. Jednym z nich było wykorzystanie technologii przyrostowych do prototypowania rozwiązań konstrukcyjnych i funkcjonalnych w procesach termomodernizacji budynków. Uzupełnieniem działań w obszarze architektury adaptacyjnej był projekt dotyczący wykorzystania druku 3D do modyfikacji konstrukcji typu jurta mongolska w celu jej przystosowania do warunków klimatycznych Polski.

Działalność zespołów badawczych i kół naukowych Politechniki Krakowskiej potwierdza, że zarówno pracownicy, jak i studenci swobodnie korzystają z potencjału nowoczesnych technologii, takich jak technologie wytwarzania przyrostowego. Są one niezbędne do tworzenia innowacyjnych rozwiązań inżynierskich, zwłaszcza na etapie szybkiego prototypowania, personalizacji wyrobów, testowania nowych materiałów i koncepcji. Efekty tych prac są doce­niane przyznaniem nagród i zdobyciem grantów na prowadzenie dalszych badań i projektów w tej przyszłościowej dziedzinie. Interdyscyplinarny charakter technologii przyrostowych sprawia, że drukarki 3D różnego typu oraz stanowiska do komputerowego wspomagania projektowania wytwarzania przyrostowego stają się ważnym elementem praktyki badań i projektów naukowych oraz procesu dydaktycznego na całej Politechnice.