Vědci z čínské univerzity Tsinghua předvedli průlom v 3D tisku: technologie DISH dokáže vytvořit složitý objekt v milimetrovém měřítku za méně než sekundu. Díky pokročilé holografii tiskne celý objem najednou, bez pohybu a bez vrstev – čímž mění to, co jsme dosud považovali za možné.
A to do té míry, že byl vzat i na Mezinárodní vesmírnou stanici, kde slouží k výrobě nástrojů nebo dílů pro případ poruchy. Dnes se používá v tak rozmanitých odvětvích, jako je letectví, automobilový průmysl, architektura, šperkařství a lékařství, a stal se klíčovou součástí tzv. výroby na vyžádání: výroby pouze toho, co potřebujete, a tehdy, kdy to potřebujete.
Po desetiletí však existovalo zásadní omezení: čas. Ačkoli je možné vyrábět velmi složité geometrie, většině 3D tiskáren trvá dokončení jednoho dílu v závislosti na jeho velikosti hodiny nebo dokonce dny. Je to proto, že běžný tisk vytváří objekty vrstvu po vrstvě, což je proces, který ze své podstaty vyžaduje čas. Například u tiskáren s vlákny (FDM) tryska obkresluje obrys objektu nanášením roztaveného plastu řádek po řádku; u přesnějších technologií, jako je stereolitografie (SLA), laser „kreslí“ každou vrstvu tuhnutím světlocitlivé tekuté pryskyřice. Ve všech případech je úzké místo stejné: každý bod objektu musí být fyzicky překonán.
V posledních letech byly navrženy alternativy, jak tento proces urychlit. Jednou z nejznámějších je „kontinuální“ 3D tisk vyvinutý společností Carbon, který pomocí okna propouštějícího kyslík vytváří zónu, v níž pryskyřice netuhne, a tak se díl pohybuje téměř nepřerušovaně, což výrazně zkracuje výrobní časy ve srovnání s klasickou stereolitografií. I tato řešení jsou však stále v podstatě procesy po jednotlivých vrstvách, pouze více optimalizované.
Tato překážka by však mohla být brzy odstraněna mnohem radikálnějším způsobem. Tým vědců z čínské univerzity Tsinghua vyvinul technologii, která umožňuje tisknout složité trojrozměrné struktury v milimetrovém měřítku v rekordním čase: pouhých 0,6 sekundy. Poprvé je aditivní výroba objektů nejen rychlá ve srovnání s tradičními metodami, ale blíží se rychlosti kontinuálních průmyslových procesů, a to bez ztráty rozlišení nebo složitosti konstrukce. Objekt se v podstatě objeví v materiálu „najednou“, místo aby rostl kousek po kousku.
Klíč k této revoluci nespočívá ve zrychlení motorů nebo modernizaci extrudérů, jako je tomu u mnoha konvenčních tiskáren, ale v pokročilé optické technologii, která využívá vysokodimenzionální holografická světelná pole. Systém, který výzkumníci popisují jako DISH (Digital Incoherent Holography-based light-field Synthesis), manipuluje se světelnými vzory tak, aby téměř okamžitě zpevnil více bodů trojrozměrného objektu najednou. Namísto „kreslení“ dílu po částech, jak to dělá tradiční tiskárna, promítá nová metoda celou složitou strukturu současně do objemu světlocitlivého materiálu.
Pro lepší pochopení je užitečné objasnit, co v tomto kontextu znamená slovo „holografický“. Hologram je, zjednodušeně řečeno, světelný obrazec, který obsahuje trojrozměrnou informaci: nejen intenzitu (jak jasný je každý bod), ale také fázi, tj. jak jsou světelné vlny rozloženy v prostoru. V klasické holografii se k záznamu a rekonstrukci trojrozměrných obrazů používají koherentní lasery (všechny vlny „ve fázi“). Přístup Tsinghua je naproti tomu založen na nekoherentní holografii: používá světlo, které není dokonale synchronizované, ale může být digitálně řízeno tak, aby vytvářelo velmi přesné trojrozměrné světelné pole v materiálu.
Systém DISH funguje na základě kombinace výpočetně náročných algoritmů s prostorovým modulátorem světla, což je zařízení schopné měnit způsob rozložení světla v prostoru bod po bodu. Vycházeje z 3D modelu, který má být vyroben, algoritmus vypočítá, jaký vzor světla má být promítnut tak, aby se při průchodu světlocitlivým materiálem světelná energie soustředila přesně na body, které budou tvořit objekt. Na tyto body dopadá dostatek světla, aby se spustila chemická reakce tuhnutí, zatímco zbytek objemu zůstává tekutý.
Zatímco běžné technologie se při vytváření jednotlivých vrstev spoléhají na mechanický pohyb hlav nebo plošek, tato technika využívá světelné vzory generované algoritmy schopnými ztuhnout celou geometrii v objemu materiálu bez nutnosti fyzického pohybu. Tím se eliminuje úzké místo mechanického posunu, které je nejdůležitější hranicí z hlediska omezení rychlosti. Výsledkem je proces, který se podobá spíše „vyvolávání“ trojrozměrné fotografie v kapalině než „tisku“ vrstvu po vrstvě.
Rychlost je navíc spojena s přesností: struktury mohou být detailní až do 12 mikrometrů (12 tisícin milimetru), což je velikost podobná průměru lidské červené krvinky. Toto rozlišení řadí tuto techniku do oblasti mikrofabrikace, kde se navrhují drobné součástky pro elektronická zařízení, senzory nebo mikrofluidní systémy (mikroskopické kanálky, kterými protékají kapaliny, hojně využívané v laboratořích na čipu).
Osoby odpovědné za tento průlomový objev, který byl zveřejněn v časopise Nature a který vedl Wu Jiamin, zdůrazňují, že „jsme dosáhli masové výroby komplexních a různorodých 3D struktur v rámci materiálů s nízkou viskozitou, což ukazuje jejich potenciál pro široké využití v různých oblastech“. Při svých experimentech tým vyrobil ve zlomcích sekundy trojrozměrné mřížky, struktury podobné lešení a mikrokomponenty s geometrií, kterou by bylo velmi nákladné získat tradičními metodami.
Důležitým aspektem je typ použitého materiálu. Technika je založena na nízkoviskózních fotocitlivých pryskyřicích, tj. relativně tekutých kapalinách, které reagují na světlo tuhnutím. Tyto pryskyřice jsou složeny z fotoiniciátorů, chemických sloučenin, které absorpcí fotonů spouštějí řetězovou reakci, která materiál zpevňuje. Úkolem je upravit složení tak, aby tuhla pouze místa, kde je světlo dostatečně koncentrované, a zabránit nežádoucímu tuhnutí zbytku objemu. Práce Tsinghua ukazuje, že této rovnováhy je možné dosáhnout i při promítání velmi složitých světelných vzorů ve 3D.
Tento nápad „vytisknout celý objem najednou“ nepřichází zčistajasna. V roce 2019 představil tým z Kalifornské univerzity v Berkeley metodu nazvanou Computed Axial Lithography (CAL), inspirovanou lékařskou počítačovou tomografií: namísto rekonstrukce 3D obrazu z několika rentgenových snímků promítli na rotující pryskyřici několik světelných vzorů, aby v ní během několika sekund „vytvarovali“ objekt. Čínská technologie jde ještě o krok dál, protože se obejde bez mechanického otáčení a využívá přímo vysokodimenzionální holografická světelná pole, což otevírá dveře k vyšší rychlosti a ještě složitějším geometriím.
Schopnost vyrábět ultrarychlé díly by mohla změnit odvětví, jako je mikrovýroba, pokročilá elektronika, medicína (zejména při výrobě biologických modelů nebo laboratorních struktur na míru) a dokonce i hromadná výroba komponentů na míru. Například v mikroelektronice by bylo možné tisknout trojrozměrné nosiče čipů, miniaturizované antény nebo struktury pro odvod tepla přizpůsobené každému návrhu. V optice by bylo možné vytvářet čočky a světlovody s velmi přesnou vnitřní geometrií, kterou je obtížné získat běžným leštěním nebo lisováním.
V biomedicínské oblasti je obzvláště atraktivní schopnost vytvářet komplexní 3D scaffoldy za méně než sekundu. Tyto scaffoldy jsou porézní struktury, na kterých lze pěstovat buňky a vytvářet tak umělé tkáně nebo miniaturní modely orgánů (organoidy). Ačkoli současná technologie Tsinghua netiskne přímo živé buňky – použité pryskyřice a intenzita světla k tomu nejsou určeny -, stejný princip by mohl být v budoucnu přizpůsoben objemovému bioprintingu s použitím biologických inkoustů kompatibilních s tkáněmi. Ve skutečnosti již existují demonstrace objemového tisku měkkých tkání během několika sekund pomocí podobných technik, což naznačuje, že by se oba směry výzkumu mohly sblížit.
Další oblastí s velkým potenciálem je oblast laboratoří na čipu. Tato zařízení integrují celou chemickou nebo biologickou laboratoř – kanály, reakční komory, ventily a senzory – na malém substrátu (někdy o velikosti kreditní karty). Navrhování a výroba těchto systémů pomocí tradičních mikrofabrikačních metod může být časově i finančně náročná. Holografický objemový tisk by umožnil vytvořit trojrozměrné sítě kanálků a dutin přizpůsobené každému experimentu v jediném kroku, což by usnadnilo přizpůsobení a zkrátilo dobu mezi návrhem a testováním.
Stejně jako u každé nové technologie však existují i zde omezení a výzvy. Například dosud předvedený objem tisku je relativně malý, vhodný pro milimetrové nebo submilimetrové struktury. Zvětšení tohoto přístupu na centimetrové nebo desítky centimetrů velké díly s sebou nese optické (zachování přesnosti světelného pole ve větších objemech) a materiálové problémy (zajištění rovnoměrného průniku světla bez jeho nadměrné absorpce nebo rozptylu).
Kromě toho systém vyžaduje pokročilé optické vybavení – například prostorové modulátory světla s vysokým rozlišením a vysoce kontrolované zdroje světla – a také vysoký výpočetní výkon pro generování holografických vzorů. I když tyto komponenty budou časem levnější, stále zdaleka nedosahují nákladů na domácí 3D tiskárnu. Je pravděpodobné, že přinejmenším v první fázi bude tato technologie omezena na výzkumné laboratoře, pokročilá výrobní centra a společnosti s velmi specifickými potřebami.
Zbývá také vyřešit otázku finálních materiálů. Současné fotocitlivé pryskyřice nabízejí dobré mechanické vlastnosti pro prototypy a mikrostruktury, ale nejsou vždy vhodné pro díly vystavené vysokému namáhání, vysokým teplotám nebo přísným požadavkům na dlouhodobou biokompatibilitu. Budoucí výzkum se bude muset zaměřit na vývoj formulací, které kombinují rychlou odezvu na světlo s mechanickými a chemickými vlastnostmi srovnatelnými s vlastnostmi technických plastů, keramiky nebo dokonce kovů, možná prostřednictvím hybridních procesů nebo následných kroků zpracování (dodatečné vytvrzování, slinování, infiltrace atd.).
Celkově tento vývoj vyvolává zajímavou otázku: Jsme na začátku nové éry, kdy se 3D tisk skutečně stane kontinuálním výrobním procesem, nikoliv pouze aditivním? Pokud budou podobné technologie vyvinuty a přizpůsobeny většímu měřítku, mohly by drasticky zkrátit výrobní časy průmyslových dílů, což by mělo přímý dopad na ekonomiku, design výrobků a přizpůsobení vyráběného zboží. Hranice mezi „rychlou výrobou prototypů“ a „hromadnou výrobou“ by se ještě více rozostřila: výroba jednoho dílu nebo tisíce kopií by mohla trvat téměř stejně dlouho, což by zcela změnilo logiku dodavatelských řetězců.
Mohlo by to také změnit způsob, jakým přemýšlíme o designu. Pokud se časové náklady na výrobu vysoce složitých geometrií stanou téměř irelevantními, mohli by se inženýři a designéři zaměřit na optimalizaci dílů pro jejich funkci – například lehké, ale pevné vnitřní struktury podobné kostem – a nemuseli by se tolik starat o to, zda jsou „vyrobitelné“ tradičními metodami. Výroba by přestala být tak silným omezením a stala by se z velké části záležitostí softwaru a materiálů.
Jediné, co zbývá zjistit, je cena této nové technologie a tempo, jakým se může dostat z laboratoře do průmyslu. Pokud je historie 3D tisku nějakým vodítkem, je pravděpodobné, že se nejprve dočkáme vysoce specializovaných aplikací – v mikroelektronice, optice nebo biomedicíně – a časem i dostupnějších verzí přizpůsobených dalším odvětvím. Zdá se, že je jasné, že myšlenka „vytisknout celý předmět za méně než sekundu“ již není sci-fi, ale hmatatelný technologický cíl.