Proces vytváření trojrozměrných objektů po vrstvách neboli 3D tisk už dávno není žádnou technologickou novinkou a dnes je v mnoha oborech velmi žhavým tématem. Ukazuje se, že 3D tiskárny se stávají levnou alternativou masové výroby drobných věcí i pro takové firmy, které by si to v minulosti nemohly dovolit. Tiskne se již v nejrůznějších oborech a vytisknout se dá již prakticky cokoliv. Od prototypů bot a kopií dinosauřích kostí přes módní doplňky, funkční drony a celé domy až k umělým orgánům určeným na transplantaci a vytištěným pacientovi na míru.

Na nedávno skončeném veletrhu spotřební elektroniky CES 2015 v Las Vegas byl 3D tisk jedním z nejskloňovanějších výrazů. Stejně tak se o trojrozměrném tisku mluví v předpovědi analytické a poradenské společnosti IDC, která nedávno zveřejnila svoji předpověď celosvětového vývoje odvětví informačních a komunikačních technologií pro rok 2015. Důležitým tématem také byla tato technologie ve studii Logistika 2050, kterou v roce 2012 vydala skupina DHL a kde jsou 3D tiskárny často zmiňovány jako jedna z pěti hlavních vizí budoucnosti logistiky.

RAKETOVĚ ROSTOUCÍ SEGMENT

Historie 3D tisku sahá do roku 1984, kdy Charles Hull vyvinul techniku zvanou stereolitografie a poději za ni získal patent. Založil tehdy i firmu 3D Systems, jež je nyní jedním z největších výrobců osobních, profesionálních a produkčních 3D tiskáren. Moderní historie 3D tiskáren se začala psát až roku 1993, kdy si Massachusettský technologický institut (MIT) patentoval prostorové tiskové technologie pod názvem 3 Dimensional Printing.

Po více než 30 letech od prvního výtisku působí v oboru 3D tisku celosvětově stovky firem a z okrajového odvětví se stal raketově rostoucí segment. Podle analytiků společnosti Gartner poroste světový trh s 3D tiskárnami každoročně o 100 procent až do roku 2017, kdy globální obrat vzroste na 5,7 miliardy dolarů, a v následujících letech se bude pravidelně zvyšovat průměrně o 50 až 80 procent. Jen pro představu, o jak podstatný růst jde, v roce 2012 bylo na světovém trhu podle informací poradenské společnosti IDC dodáno 31 tisíc 3D tiskáren a vloni, tedy o dva roky později, to bylo již 220 tisíc tiskáren.

Pro firmy působící v tomto odvětví je proto důležité udržet si vývojářské tempo. "Jedná se o nástup takzvaného internetu věcí, robotiky a 3D tisku ve výrobě," říká Jan Široký, viceprezident a regionální ředitel pro střední a jihovýchodní Evropu ze společnosti IDC. Podle něj bude 3D tisk jednou z hlavních oblastí rozvoje, což dokazuje i výzkum DHL Supply Chain Matters, ve kterém se experti na dodavatelské řetězce vyjadřovali k tomu, jaká bude role 3D tisku v následujících třech až pěti letech. Přibližně 8 procent potvrdilo, že u nich už 3D tisk hraje nějakou roli v dodavatelském řetězci, a 22 procent si bylo jistých adopcí technologie do tří let. Dalších 20 procent věřilo, že implementace 3D tisku do většiny dodavatelských řetězců bude trvat o něco déle, zhruba pět let.

DODAVATELSKÉ ŘETĚZCE POD TLAKEM 3D TISKU

Velkou roli v rozšiřování 3D tisku hrají logistické a přepravní firmy. Možnost využití této technologie dlouhodobě testuje například společnost DHL ve svém výzkumném centru poblíž Bonnu. Mark Patterson, viceprezident pro inovace a vývoj produktů ve společnosti DHL Supply Chain, věří, že využití 3D tisku v dodavatelských řetězcích zásadně ovlivní jejich budoucnost.

Místo vlastního produktu se bude skladovat a přesouvat přímo duševní vlastnictví v podobě souboru, ze kterého bude možné výrobek vytisknout. Do centra pozornosti se tak dostávají řízení a bezpečný transport dat.

3D tisk tak mění tradiční schéma dodavatelských řetězců. Například součástka do vozidla se dostane od vývojářů do autoservisu až po šesti přesunech a v lepším případě po několika týdnech strávených ve skladech a kamionech. Podle nového konceptu s využitím 3D tisku se jenom pošlou data do speciálního centra logistické firmy, které součástku vytiskne a rovnou přepraví k zákazníkovi. Ten tak nemusí čekat a požadovaný produkt má k dispozici téměř ihned.

"Vývoj jde tímto směrem a my musíme zkoumat, jak ovlivní náš byznys," říká Markus Kückelhaus, ředitel pro výzkum a inovace ve společnosti DHL. Konkrétní obrysy budoucnosti lze již nyní vidět ve Spojených státech. Společnost UPS zde úspěšně nastartovala projekt hybridní pošty, kam zákazníci zasílají data, která se vytisknou, výtisk se zabalí a odešle. Jde přitom jak o listovní zásilky, tak právě i o prostorové objekty. Zájem o tyto služby je velký, především mezi menšími podniky, které potřebují vytvořit nějaké prototypy, ale nevyplatila by se jim vlastní 3D tiskárna. O úspěchu vypovídá i to, že UPS nabízí tyto služby již téměř na 100 pobočkách.

Americký patentový úřad také nedávno zveřejnil seznam podaných patentů, ve kterém byl podobný koncept podaný společností Amazon. Ta však přišla s nápadem mít 3D tiskárnu přímo v rozvážkových dodávkách. Přes internet objednané zakázky by se tak mohly tisknout za jízdy přímo v distribučním vozidle, které je k zákazníkovi nejblíže, a po jejich vytištění by se doručovací adresa automaticky přidala do stávající rozvážkové trasy. Myšlenka 3D tisku v dodávce by mohla mít obrovský vliv například pro opraváře, kteří by v budoucnosti u svých zákazníků mohli identifikovat vadnou součástku a na počkání si ji vytisknout přímo na ulici. Eliminace doby čekání na konkrétní součástku od výrobce by tak mohla mnoha firmám ušetřit mnoho peněz.

VYTISKNI SI LETADLO NEBO DŮM

Prostorový tisk je důležitý i pro industriální sektor. Využívá jej například firma Siemens a její divize Power Generation, která vytváří pomocí 3D tisku součástky do svých plynových turbín, což jim snížilo čas na opravy ze čtyř měsíců na pouhé čtyři týdny. Firma General Electric má zase v plánu pomocí 3D tisku vytvořit přes 85 000 palivových trysek pro své nízkoemisní letecké motory CFM typu LEAP. Díky novým keramickým kompozitům používaným pro tisk mohou být součástky lehčí a přitom pevnější než konvenční materiály a jsou schopné vydržet i vyšší teploty. Výrazně se tak sníží hmotnost motoru, zvýší se jeho efektivita a jednodušší budou i jeho opravy.

Některé segmenty leteckého průmyslu se zaměřují na další možnost prostorového tisku, jakou je tisk kompletních funkčních jednotek. Voxel8 je první tiskárnou na světě, která je schopná vytisknout například plně funkční kvadrokoptéru (jakýsi dron) včetně integrovaných elektronických obvodů, stačí jenom dodat komplexnější součástky, jako jsou mikročipy.

Dalším oborem využití prostorových tiskáren je stavebnictví. To je zatím nejvíce využívané v Číně, kde byla také v lednu odhalena zatím nejvyšší budova vytvořená 3D tiskárnou. Jedná se o pětipodlažní bytový dům vyrobený z recyklovaných stavebních materiálů, který postavila firma WinSun Decoration Design Engineering. Ta na sebe upozornila již v dubnu loňského roku, kdy zkonstruovala 10 jednoduchých domů za méně než 24 hodin a s cenou jednotlivých budov nižší než 5000 dolarů. Na vývoji tiskárny, která takové výkony umožňuje, firma pracovala 12 let a její zkonstruování stálo přes 2,3 milionu dolarů. Tiskárna je šest a půl metru vysoká, 10 metrů široká a 150 metrů dlouhá. Co se týká bezpečnosti takové budovy, jsou podle firemních webových stránek zdi vytištěné 3D tiskárnou nejen o 50 procent lehčí než zdi betonové, ale prý jsou také mnohem pevnější.

Firma WinSun Decoration Design Engineering drží téměř 100 patentů týkajících se 3D tisku a v následujících třech letech plánuje se svými tiskárnami na bázi tisku z písku expanzi ve více než 20 zemích, včetně Kataru, Maroka, Tunisu nebo Spojených států. "Odpad ze zdemolovaných budov ničí naše životní prostředí, ale s 3D tiskem jsme schopni tento materiál recyklovat a vytvořit z něj opět stavební materiál," říká generální ředitel firmy Ma Yihe a dodává: "Díky 3D tiskárnám se vytvoří mnohem bezpečnější pracovní prostředí pro stavební dělníky a zásadně se sníží stavební náklady."

LEGISLATIVA STÁLE CHYBÍ

Technické normy nyní umožňují konstruovat, vyrábět a testovat strojírenské výrobky, ale předpokládá se, že se pracuje s konvenčně vyrobenými. V oblasti 3D tisku tak stále chybějí normy, například jak testovat a ověřovat mechanické vlastnosti, jak zajistit přenos parametrů mezi stroji různých výrobců, nebo schází certifikace procesů pro letecké a medicínské aplikace. Proto bude důležité, aby se do legislativy 3D tisk dostal co nejdříve.

Prostorový tisk je bezesporu dynamicky se rozvíjející oblastí a má potenciál odstranit fázi montáže a vytvořit obrovské úspory pro výrobce z hlediska nákladů na pracovní sílu. "Kdo si dneska může dovolit auto, může si dovolit i 3D tiskárnu. Zatímco auto se musí živit, tiskárna vydělává. Kdo dokáže tyto technologie využít, znamená to pro něj velký přínos," říká Daniel Adam, jednatel společnosti MCAE. Ovšem nejde jen o montáž, ale také odstranění potenciálních nákladů na skladování, manipulaci a distribuci. Kvůli vysokým nákladům na pracovní sílu v západních zemích se výroba přesunula na východ, ovšem to by se s všeobecným využíváním prostorového tisku mohlo také změnit.

Místo toho, aby výrobní podniky byly vzdálené od svých centrál a nebyly pod dostatečnou kontrolou kvality, se mohou přesunout mnohem blíže zákazníkovi. Díky přiblížení se koncovému zákazníkovi se zlepší i možnost optimalizace produktů přesně podle zákazníkových požadavků. A při pohledu do budoucnosti bychom se mohli dočkat i toho, že velká část produktů bude vytvořena přímo v domově zákazníka.

TRANSFORMACE GLOBÁLNÍHO PRŮMYSLU

Dopady 3D tisku na výrobu a logistiku mohou být nebývalé. Lze očekávat zpětný přesun produkce zboží, jež se nyní vyrábí v Číně a na dalších asijských trzích, zpět do Evropy a Severní Ameriky, což by vedlo ke snížení objemu lodní a letecké dopravy. Také se dá do budoucna očekávat trend snižování stavu zásob, protože se velká část produktů bude vyrábět na zakázku. To bude mít za následek snížení požadavků na skladování.

To vše by nakonec mohlo mít velký dopad i na dodavatele, kteří by v takovém případě byli stále méně a méně zapojováni do dodavatelských řetězců. Větší nároky na logistiku by se pak vytvořily ve spojitosti s pohybem a skladováním surovin pro 3D tiskárny. Zejména díky stále větší dostupnosti této technologie se poptávka po těchto materiálech bude zvyšovat.

Měnící se dynamika dodavatelského řetězce povede k vývoji nového typu logistické společnosti na bázi 4PL. Společnosti kombinující zdroje, plánování a celkově komplexní fungování dodavatelského řetězce budou muset v budoucnosti zajišťovat i vývoj softwaru, dodávky služeb a kompletní management. Pro dosažení konkurenceschopnosti budou takové společnosti muset navrhovat řešení zahrnující plánování poptávky, výrobu, dodávku, monitorování trhu, servisní služby i recyklační servis. Stanou se z nich poskytovatelé řízení celého životního cyklu produktu. Je to především velká příležitost pro všechny hlavní hráče, kteří mají dostatečné finance k vytváření celého konceptu logistiky společností a mohou tím získat na trhu velkou převahu.

V případě, že technologie 3D tisku transformuje globální průmysl, bude také muset být schopná vyrábět zboží ve stejných objemech a rychlosti jako tradiční techniky. "I přes masivní rozšíření 3D tiskáren není však prostorový tisk všespásnou technologií, jak se někdy prezentuje," říká profesor Martin Hartl, ředitel Ústavu konstruování Vysokého učení technického v Brně, a dodává: "Konvenční technologie mají stále své místo v sériové i kusové výrobě a nelze je snadno nahradit." Tradiční způsob výroby má své limity a podle Hartla technologie 3D tisku vyplňují právě oblasti, kde je výroba konvenčními metodami těžko realizovatelná či příliš pomalá.

BUDOUCNOST JE V MATERIÁLECH, RYCHLOSTI A DOSTUPNOSTI

Ještě většímu rozvoji 3D tisku brání v současnosti některé limity této technologie. První z nich je omezená paleta použitelných materiálů. V budoucnu se tak prostorový tisk bude muset zákonitě zaměřovat na technologické zpracování materiálů. Lze očekávat posun k flexibilním materiálům, plastům plněným vlákny. Stejně tak vývoj v oblasti kovových materiálů, jež umožní využití v dalších průmyslových oborech. "Jedná se zejména o technologické zvládnutí žáruvzdorných ocelí, slitin titanu nebo například wolframu, protože materiál a jeho technologické zvládnutí jsou klíčem k využití v dalších aplikacích," říká Martin Hartl.

Dalším z často zmiňovaných problémů trojrozměrného tisku je jeho malá rychlost. Snížení doby nutné k vytištění objektu souvisí nejen s technologickými vlastnostmi samotné tiskárny, ale také s použitým softwarem a konstrukcí objektů. Další oblastí rozvoje tak bude snižování množství použitého materiálu na objekty při udržení mechanických vlastností dílů o plném objemu. Zásadní proto bude i další rozvoj výpočtových systémů. Ty dokážou tvarově optimalizovat díl vzhledem k jeho zatěžování a odeberou materiál tam, kde není potřeba.

S ohledem na rychlost vývoje trojrozměrného tisku je však téměř stoprocentně jisté, že tato omezení budou brzy odstraněna, či alespoň zmírněna. Se zvýšením kvality, efektivity a dostupnosti této technologie se bude zvyšovat i popularita 3D tisku, a v budoucnosti se tak s největší pravděpodobností stane běžnou součástí dodavatelských řetězců a promění je k nepoznání.


PRVNÍ TISK NA MĚSÍCI?

Netiskne se už jen na Zemi, ale tiskne se i mimo ni. První tisk ve vesmíru se odehrál na Mezinárodní vesmírné stanici ISS v listopadu minulého roku. NASA vkládá do 3D tisku velké naděje, protože by mohl zásadním způsobem snížit náklady na vesmírné lety a poskytnout posádkám další možnosti. Myšlenka 3D tisku je pro logistiku vesmírných letů naprosto zásadním zlomem. V tomto roce má NASA v plánu dostat do vesmíru ještě jednu 3D tiskárnu, která by byla schopná transformovat odpad do 3D objektů sloužících k dalšímu fungování mise. Třeba k nahrazování poškozených součástek, jejichž doprava do vesmíru je jinak nesmírně nákladná.

Další vesmírné plány má Evropská vesmírná agentura, která plánuje využít 3D tisk na Měsíci. Tam by měla tiskárna postavit základnu pro astronauty a jako materiál využít měsíční půdu, která se po zahřátí dá spojit i bez lepidla a po zpracování by měla mít podobné vlastnosti jako keramika.


4D TISKÁRNY VYTVÁŘEJÍ PŘEDMĚTY, KTERÉ MĚNÍ TVAR

3D tisk ušel od svého počátku v roce 1984 dlouhou cestu. Dnes si již můžeme vytisknout téměř cokoliv. Od nejrůznějších dílů, nástrojů a elektroniky přes protetické náhražky až po vlastní 3D tiskárny. Rozšiřuje se také paleta využitelných materiálů, díky nimž 3D tisk ukazuje stále větší inovační potenciál. Na nedávno skončeném veletrhu CES 2015 v Las Vegas se tisklo prakticky ze všeho, z čokolády, pryskyřice, stříbra i z žijících buněk. Ovšem zásadní novinka v této oblasti přišla až těsně před Vánoci při publikování vědeckého článku v Scientific Reports o vzniku 4D tisku.

Nová technologie je schopná tisknout současně dva materiály s různými vlastnostmi. Jedním z nich je pevný plast a druhým je dynamický materiál, který při měnících se okolních podmínkách mění i svůj objem. Objekt se tak může natahovat, zužovat a vytvářet různé tvary. Je také schopen až zdvojnásobit svůj objem. "Na první pohled se může tato oblast jevit jako pouhá demonstrace možností 3D technologií nebo forma umění. Změna tvaru dílu v čase je však zajímavým konstrukčním prvkem využitelným v řadě oborů," říká k 4D tisku profesor Martin Hartl, ředitel ústavu konstruování Vysokého učení technického v Brně.

Výzkum má na svědomí Dan Raviv z Massachusettského technologického institutu a jeho tým. "Nejvíce vzrušující částí naší práce je, kolik nových možností z tohoto výzkumu plyne. Není to jen zajímavý projekt nebo řešení, ale něco, co může spoustě lidí změnit život," vysvětluje Dan Raviv, podle kterého bude mít tato technologie v budoucnu nezměrné množství využití. Proměnlivé vlastnosti předmětů reagujících na vlhkost nebo na teplo by mohly najít uplatnění například při výrobě inteligentního oblečení přizpůsobujícího se aktuálnímu počasí či v medicíně při tvorbě přizpůsobivých medicínských implantátů. V budoucnu by se z takovýchto materiálů daly vytvářet silniční vozovky nebo části mostů, které by byly schopné se samy opravit po zemětřesení či jiném poškození způsobeném počasím.


JAK JE NA TOM 3D TISK V ČESKÉ REPUBLICE?

Technologie 3D tisku a její vývoj nezůstávají pozadu ani u nás. České firmě 3Dfactories se například podařilo v říjnu roku 2013 sestavit do té doby největší 3D tiskárnu umožňující tisk do velikosti jednoho kubického metru. Výstupy společnosti PrusaResearch vývojáře Josefa Průši zase vycházejí pod volně šiřitelnou licencí. Mezi největší hráče na trhu patří i firma be3D Davida Miklase, která se zaměřuje zejména na výrobu softwaru pro správu tisku a také spravuje komunitu vývojářů a provozovatelů prostorových tiskáren. Za dobu své existence představila už tři tiskárny založené na technologii FDM - tisku z termoplastů. Tento pražský start-up získal v listopadu 2014 investici v hodnotě 45 milionů korun od brněnské společnosti Y Soft a v případě očekávaného růstu získá dalších 20 milionů.


Masivnímu rozšíření 3D tisku do výroby zatím brání jeho rychlost a stále ještě omezené množství využitelných materiálů.
FOTO: MATEJ SLÁVIK

3D tiskárny dnes už umí vyrobit prakticky vše - od zubů přes roboty až po pětipatrový dům.
FOTO: WIKIMEDIA / H. RAGUET

UPS koncem loňského roku rozšířilo službu 3D tisku. Už ji poskytuje téměř ve stovce svých poboček v USA.
FOTO: UPS

3D tiskárna se dá vyrobit podle návodů na internetu i podomácku.
FOTO: MICHAELA HASÍKOVÁ

Související