Początki: Hideo Kodama i pierwsze pomysły
Sam pomysł jest starszy od maszyn. W 1945 roku Murray Leinster opisał podobną koncepcję w opowiadaniu „Things Pass By”, a w 1974 roku David E. H. Jones przedstawił ją w swojej felietonowej rubryce w „New Scientist”. W 1971 roku Johannes F. Gottwald uzyskał amerykański patent na urządzenie nanoszące ciekły metal, uznawany za pierwszy patent opisujący ideę zbliżoną do szybkiego prototypowania. Żadne z tych rozwiązań nie stało się jednak produktem.
Za pierwszą praktyczną próbę druku warstwowego uważa się prace Hideo Kodamy z miejskiego instytutu badań przemysłowych w Nagoi. W 1980 roku opracował on dwie metody wytwarzania przyrostowego, w których światło utwardzało ciekły fotopolimer. Jego zgłoszenie patentowe opublikowano 10 listopada 1981 roku.
Projekt w instytucie zakończono i metoda nie trafiła na rynek. Podobny los spotkał zgłoszenie trzech francuskich badaczy, Alaina Le Méhauté, Oliviera de Witte i Jeana Claude’a André, złożone w lipcu 1984 roku: zostało porzucone. W tym samym roku, 2 lipca 1984, Bill Masters złożył wniosek US 4665492, opisywany jako pierwszy patent na druk 3D zarejestrowany w amerykańskim urzędzie patentowym. Pomysł był gotowy, brakowało jeszcze firmy, która zamieni go w produkt.
Chuck Hull, stereolitografia i format STL
8 sierpnia 1984 roku Chuck Hull złożył w USA wniosek patentowy na stereolitografię. Patent US 4,575,330 został udzielony w 1986 roku. Mniej więcej w tym samym czasie powstała firma 3D Systems, która zaczęła komercjalizować tę metodę.
Stereolitografia polega na utwardzaniu kolejnych warstw ciekłej żywicy wiązką lasera UV. Pierwszą maszynę, SLA-1, 3D Systems zaprezentowała w 1987 roku, a do klientów trafiła w 1988 roku: egzemplarze testowe w styczniu, pierwszy seryjny w kwietniu. Dlatego w opracowaniach spotyka się obie daty. Równie trwałym dziedzictwem Hulla okazał się format pliku STL, opisujący powierzchnię modelu siatką trójkątów. Ten format jest używany do dziś, choć ma ograniczenia, o których piszemy w artykule STL czy STEP.
Lata 80.: spiekanie laserowe i FDM
W latach 80. Carl Deckard opracował selektywne spiekanie laserowe (SLS): laser łączy cząstki proszku tworzywa termoplastycznego w kolejnych przekrojach części. Technologię komercjalizowała firma DTM. Drukarka 3D w latach 80. kosztowała ponad 300 000 dolarów, więc korzystał z nich niemal wyłącznie przemysł.
W 1988 roku S. Scott Crump wpadł na pomysł modelowania przez osadzanie topionego materiału (fused deposition modeling, FDM): tworzywo przeciskane przez podgrzewaną dyszę układa się warstwami. W 1989 roku założył wraz z żoną Lisą firmę Stratasys w Eden Prairie w stanie Minnesota. Wniosek patentowy US 5,121,329 złożono 30 października 1989 roku, a patent udzielono 9 czerwca 1992 roku. W kwietniu 1992 roku Stratasys sprzedał pierwszą maszynę, 3D Modeler.
Na początku lat 90. powstały kolejne metody. W 1993 roku Emanuel Sachs z MIT opracował proces, w którym głowica atramentowa nanosi spoiwo na warstwę proszku. To właśnie ten proces pierwotnie nazywano „drukiem 3D”. W 1995 roku Instytut Fraunhofera opracował selektywne stapianie laserowe (SLM), jedną z podstawowych metod druku metalu.
Dlaczego FDM i FFF to dwie nazwy jednej technologii
Nazwa FDM jest znakiem towarowym firmy Stratasys. Gdy technologią zajęła się społeczność open source, potrzebowała określenia, którego można używać bez ograniczeń prawnych. Członkowie projektu RepRap ukuli nazwę FFF (fused filament fabrication), czyli wytwarzanie z topionego filamentu. Dlatego w opisach drukarek i usług spotkasz oba skróty, a oznaczają ten sam proces.
| Rok | Wydarzenie |
|---|---|
| 1981 | Publikacja zgłoszenia patentowego Hideo Kodamy na druk warstwowy z fotopolimeru |
| 1984 | Chuck Hull składa wniosek patentowy na stereolitografię |
| 1986 | Hull otrzymuje patent na stereolitografię; mniej więcej wtedy powstaje 3D Systems |
| 1989 | Scott Crump zgłasza patent na FDM; powstaje Stratasys |
| 1992 | Patent FDM udzielony; pierwsza maszyna Stratasys w sprzedaży |
| 2005 | Adrian Bowyer zakłada projekt RepRap |
| 2008 | RepRap 1.0 „Darwin” drukuje komplet własnych drukowanych części |
| 2009 | Wygasa patent FDM; powstaje MakerBot; RepRap Mendel |
| 2016 | HP wprowadza technologię Multi Jet Fusion |
RepRap: drukarka, która drukuje swoje części
W 2005 roku Adrian Bowyer, starszy wykładowca inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie w Bath, założył projekt RepRap. Celem była tania drukarka, która potrafi wydrukować dużą część własnych elementów. Wszystkie projekty udostępniono na licencji GNU GPL, więc każdy mógł je budować i modyfikować.
Pierwsza wersja, RepRap 1.0 „Darwin”, 9 lutego 2008 roku wydrukowała co najmniej po jednym egzemplarzu ponad połowy swoich drukowanych części, a 29 maja 2008 roku wykonała komplet tych części, czyli po raz pierwszy się zreplikowała. Elementy drukowane stanowiły około połowy wszystkich części maszyny, bez śrub i nakrętek; silniki i elektronikę trzeba było kupić. Druga generacja, „Mendel”, wydrukowała pierwszą część 2 października 2009 roku. Z rodziny RepRap wywodzą się później popularne konstrukcje, takie jak Prusa i3, a wiele dzisiejszych drukarek biurkowych korzysta z rozwiązań wypracowanych w tym projekcie.
Trzecia generacja, „Huxley”, otrzymała nazwę 31 sierpnia 2010 roku. Była pomniejszoną wersją Mendla, z około 30% jego objętości roboczej. Otwarta licencja sprawiła, że wokół projektu szybko powstał rynek części i zestawów. W 2017 roku kilka firm i osób prywatnych sprzedawało elementy do budowy różnych odmian RepRap, a najtańsze zestawy kosztowały około 100 dolarów.
Rok 2009: wygaśnięcie patentu i boom drukarek biurkowych
30 października 2009 roku wygasł podstawowy patent Crumpa na FDM. Otworzyło to drogę firmom, które chciały sprzedawać drukarki z filamentu bez licencji. Wygaśnięciu patentu przypisuje się spadek cen drukarek o około dwa rzędy wielkości. Maszyny, które wcześniej kosztowały około 20 000 dolarów, od około 2010 roku zaczęły kosztować poniżej 1000 dolarów.
W styczniu 2009 roku Bre Pettis, Adam Mayer i Zach Smith założyli firmę MakerBot, nawiązując do dorobku RepRap. Jej pierwszy zestaw, Cupcake CNC, pojawił się w kwietniu 2009 roku. W czerwcu 2013 roku MakerBot został przejęty przez Stratasys. Drukarki biurkowe trafiły do szkół, pracowni i małych firm, a druk FDM stał się podstawową technologią usług druku na zamówienie.
Ostatnie lata: metal, MJF i druk wielokolorowy
Druk metalu rozwijał się na bazie spiekania i stapiania proszków laserem lub wiązką elektronów i dziś jest metodą przemysłową, znacznie droższą od druku z tworzyw. W 2016 roku firma HP wprowadziła technologię Multi Jet Fusion: głowica atramentowa nanosi środki na warstwę proszku poliamidowego, a promiennik podczerwieni łączy cząstki.
W drukarkach FDM upowszechniły się systemy zmiany filamentu, które pozwalają drukować w kilku kolorach lub materiałach w jednym wydruku. Przy każdej zmianie drukarka przepłukuje dyszę do wieży czyszczącej obok modelu, co zwiększa zużycie materiału i czas druku. Dla klienta oznacza to możliwość zamówienia części w kilku kolorach bez malowania i bez sklejania osobno wydrukowanych elementów. O tym, jak budowa drukarki wpływa na możliwości, piszemy w artykule budowa drukarki FDM. Druk wielokolorowy możesz zgłosić przez wycenę online, wybierając opcję wielu kolorów; taki model wyceniamy indywidualnie.
Czego uczy historia druku 3D
Historia druku 3D pokazuje, że o popularności technologii zdecydowała nie tylko jakość, ale też dostępność. Stereolitografia i spiekanie laserowe przez lata dawały lepszy detal niż FDM, a mimo to to właśnie druk z filamentu trafił do szkół, pracowni i małych firm. Powodem była prosta konstrukcja, tani surowiec i otwarte projekty, które każdy mógł ulepszać.
Dla klienta oznacza to, że FDM ma dziś najszerszy wybór maszyn, materiałów i wykonawców, a pojedyncza część kosztuje niewiele. Pozostałe technologie nie zniknęły: wciąż wybiera się je tam, gdzie potrzebny jest drobny detal, gładka powierzchnia bez obróbki albo metal. Dobór metody do zadania zaczyna się więc od pytania o funkcję części, a nie o to, która technologia jest nowsza. Ogólne porównanie metod znajdziesz w artykule czym jest druk 3D.