En 3D-skrivare bygger på samma princip som en traditionell bläckstråleskrivare. Istället för att skriva ut ett tvådimensionellt lager bläck på ett papper bygger en 3D-skrivare emellertid upp ett tredimensionellt föremål genom att skriva ut lager på lager av ett av många tänkbara material. Det är en revolutionerande tillverkningsmetod, som kan komma att få allt större betydelse inom såväl industrin som sjukvården och i framtidens hem.
Precis som när man använder en vanlig skrivare börjar processen med att man skapar eller på annat vis införskaffar en digital version av det man vill skriva ut. Istället för att använda till exempel en text- eller bildfil använder 3D-skrivare emellertid CAD-filer med 3D-modeller, som antingen kan skapas från grunden i ett program för 3D-modellering eller genom att använda en 3D-scanner för att göra en digital kopia av ett befintligt föremål.
Den digitala 3D-modellen förbereds sedan för utskrift genom att den skivas upp i hundratals eller tusentals tunna, horisontella lager, som kan skrivas ut ett och ett för att bilda ett tredimensionellt föremål.
Förutom att skriva ut en stor mängd olika föremål för olika tillämpningar kan 3D-skrivare dessutom skriva ut föremål i en mängd olika material, från grundläggande material som plast, metall och glas till mer komplicerade material som polymerer, mänsklig vävnad och ätbar mat.
FDM - Trådskrivare
Även om processen att bygga upp föremål lager för lager är gemensam för alla 3D-skrivare kan detta åstadkommas med hjälp av ett flertal olika tekniker. De vanligaste teknikerna för 3D-skrivare är FDM (Fused Deposition Modeling), SLS (Selective Laser Sintering) och SLA (Stereolithography).
Vanligast är FDM-tekniken, som använder sig av tunna trådar av plast eller metall som smälts ner av ett upphettat munstycke. Genom att slå av och på flödet av material då det rör sig över underlaget bildar munstycket lager av material, som stelnar så fort det lämnar munstycket.
Teknikens mjukvara genererar automatiskt stödstrukturer vid behov och 3D-skrivare av det här slaget använder därför förutom det material som bildar själva föremålet även ytterligare ett material till dessa engångsstrukturer.
Tekniken uppfanns av Scott Crump i slutet av 1980-talet och hans företag Stratasys äger rättigheterna till teknikens namn och förkortningen FDM. Ibland används därför den ekvivalenta termen FFF (Fused Filament Fabrication).
SLS - Pulverskrivare
En liknande men mer avancerad teknik är SLS-tekniken, som använder en kraftfull laser för att smälta samman lager efter lager av ett finkornigt pulver av plast, metall, keramik eller glas till ett föremål med önskad form. För varje nytt lager sprids en ny bädd av pulver ut och lasern smälter samman valda delar av pulvret för att bilda en genomskärning av föremålet. Därefter sprids ett nytt lager pulver ut och processen upprepas tills hela föremålet byggts upp i pulvret.
Eftersom det orörda pulver som inte bildar en del av föremålet ligger kvar och blir till en stödstruktur för föremålet behöver inga separata stödstrukturer skapas. Överblivet pulver kan även återanvändas till nästa utskrift.
SLS-tekniken utvecklades i mitten av 1980-talat av Carl Deckard vid University of Texas med hjälp av finansiering från det amerikanska försvarsdepartementets forskningsgren DARPA.
SLA - Vätskeskrivare
3D-skrivare baserade på SLA-tekniken utnyttjar så kallad fotopolymerisation för att framställa ett fast föremål från en vätska. Råmaterialet är i det här fallet en flytande UV-härdande fotopolymer, som härdas ett lager i taget av en UV-laser.
Efter att det mönster som bildar det första lagret av föremålet härdats av UV-lasern och stelnat på ytan av den flytande fotopolymeren sänks den plattform som föremålet vilar på ner ett steg, som motsvarar tjockleken av ett lager. På så vis täcks det stelnade lagret av ett nytt lager av flytande material, som härdas av UV-lasern. Detta pågår tills ett komplett föremål byggts upp.
Tekniken, som precis som FDM-tekniken kräver stödstrukturer, uppfanns 1984 av Charles Hull, som 1986 grundade företaget 3D Systems.
Professionellt och privat bruk
Den stora variationen av föremål i olika former och material som kan tillverkas med hjälp av en 3D-skrivare gör dem mycket användbara inom många olika tillämpningsområden.
Inom industrin har 3D-skrivare länge använts för snabb prototypframtagning, men de börjar nu även att användas i allt större utsträckning för tillverkning.
Företag som Stratasys och 3D Systems levererar industriella 3D skrivare till kunder inom en mängd olika branscher, som arkitektur, bilindustri, flyg- och rymdindustri, försvarsindustri, konsumentindustri, sjuk- och tandvård, underhållning och utbildning.
De senaste åren har mindre och billigare 3D-skrivare för hemmabruk också blivit allt vanligare. Skrivare av det här slaget baseras vanligtvis på FDM-tekniken och säljs bland annat av MakerBot, som sedan 2013 ägs av Stratasys, och RepRap. RepRap, som grundades 2005 av Adrian Bowyer vid University of Bath i Storbritannien, använder sig av öppen maskinvara och fokuserar på självutskrivande 3D-skrivare, som kan skriva ut större delen av sina egna komponenter i syfte att göra fler skrivare. Det finns också samlingar där en växande gemenskap av privatpersoner med 3D-skrivare kan dela med sig av sina egna eller ladda ner andras 3D-modeller för att skriva ut.
Från prototyp till färdig produkt
Snabb prototypframtagning, som var ett av de första användningsområdena för 3D-skrivare, är fortfarande det största användningsområdet. Eftersom snabb prototypframtagning gör det möjligt att kostnadseffektivt förvandla idéer till såväl konceptmodeller som funktionella prototyper inom loppet av några timmar betyder det att produktutvecklingen kan påskyndas avsevärt. Dessutom innebär det att fler idéer kan testas och att man snabbt kan göra förändringar i prototypens design till minimal kostnad.
Att använda 3D-skrivare vid tillverkning av färdiga komponenter och produkter har också många fördelar. Till exempel kan leveranstiderna minskas, samtidigt som kvaliteten förbättras. Tillverkningskostnaderna kan dessutom reduceras kraftigt, bland annat tack vare att behovet av verktygsmaskiner minskar och att 3D-skrivarnas additiva tillverkning till skillnad från traditionell subtraktiv tillverkning, som svarvning och fräsning, dramatiskt minskar mängden material som går till spillo.
3D-skrivare underlättar även tillverkningen av små produktvolymer och skräddarsydda produkter och möjliggör tillverkning av komplexa detaljer, som skulle vara svåra eller till och med omöjliga att tillverka med andra tillverkningsmetoder.
Hus, proteser och choklad
Inom byggbranschen kan 3D-skrivare förutom att de ger arkitekter möjlighet att skapa detaljerade skalmodeller av projekt även användas vid riktiga husbyggen. Genom att använda stora 3D-skrivare kan hus byggas både snabbare och till lägre kostnad genom att de antingen skrivs ut i delar, som sedan monteras ihop, eller skrivs ut direkt på plats.
Till exempel meddelade det kinesiska företaget WinSun i mars 2014 att de skrivit ut tio hus på bara 24 timmar med hjälp av en blandning av återvunnet byggmaterial och snabbtorkande cement. Sedan dess har de dessutom följt upp denna bedrift med ett skriva ut ett femvåningshus och en villa på 1 100 kvadratmeter och företaget hoppas med tiden kunna använda samma teknik till ännu större byggnadsprojekt som broar och skyskrapor.
Inom sjukvården används 3D-skrivare idag för att skapa anatomiska modeller, som hjälper läkarna att planera komplexa operationer, och skräddarsydda implantat, hörapparater och proteser, som tandproteser handproteser och benproteser. Forskarna har också börjat experimentera med att skriva ut levande celler för att till exempel tillverka mänskliga organ, vilket skulle kunna eliminera behovet av organdonationer.
3D-skrivare kan även vara användbara inom livsmedelsindustrin och har till exempel använts för att skriva ut ätbara kreationer i till exempel choklad och socker och kompletta maträtter som pizza.
Rymdtillverkning
Eftersom 3D-skrivare med fördel kan användas på otillgängliga platser där andra tillverkningsmetoder inte är ett alternativ, som till exempel i rymden, har Nasa tagit till sig tekniken och använder eller planerar att använda den för en rad olika ändamål.
Den internationella rymdstationen ISS utrustades i november 2014 med en 3D-skrivare, som strax därefter gjorde den första 3D-utskriften i rymden. Skrivaren kommer att kunna användas för att skriva ut verktyg och komponenter vid behov, istället för att transportera upp dem från marken, vilket är en möjlighet som kommer att vara av avgörande betydelse under längre expeditioner till exempelvis månen eller Mars.
Nasa har även planer på att använda 3D-skrivare för att utfodra besättningar i rymden och har bland annat finansierat utvecklingen av en pizza-skrivare, som redan testats på marken. Konceptet påminner om en tidig version av de futuristiska matreplikatorer som används i science fiction-serien Star Trek.
3D-skrivare kan dessutom hjälpa Nasa när det gäller att etablera en mer permanent närvaro på månen genom att använda mångrus för att skriva ut en månbas.
Hemtillverkning
3D-skrivare för privat bruk används än så länge i relativt liten utsträckning och främst av entusiaster inom hobbyverksamheter av olika slag. Trots det kan alla privatpersoner, eller små företag, som inte har möjlighet att skaffa en egen 3D-skrivare redan nu utnyttja tekniken. Det finns nämligen en rad 3D-utskriftstjänster, som skriver ut och levererar föremål från digitala filer på beställning.
I takt med att priset på 3D skrivare sjunker blir de emellertid allt vanligare i hemmen och det blir därför allt mer attraktivt med så kallad distribuerad tillverkning. Med hjälp av distribuerad tillverkning kan konsumenten själv tillverka olika hushållsföremål direkt i hemmet, genom att ladda ner 3D-modeller, istället för att köpa fabrikstillverkade föremål i en affär.
Tredje industriell revolution
Det finns redan idag 3D-skrivare med förmågan att kombinera flera olika material och färger i ett och samma föremål och 3D-skrivarna kommer i framtiden bara att bli mer avancerade.
Även om 3D-skrivare kan skapa kopior av de flesta föremål har de utskrivna föremålen än så länge inte nödvändigtvis samma funktionalitet som de ursprungliga föremålen. En benprotes utskriven med en 3D-skrivare fungerar till exempel inte som ett riktigt ben. I vissa fall har föremål som till exempel fungerande vapen återskapats med hjälp av 3D-skrivare, men de olika delarna har då skrivits ut var för sig och monterats ihop i efterhand. Det är emellertid bara en tidsfråga innan 3D-skrivarna når en punkt där fullt funktionella föremål kan tillverkas direkt.
Denna utveckling förutspås kunna ge upphov till en tredje industriell revolution. Vi närmar oss i så fall en värld där tillverkningen av fysiska föremål genomgår en transformation liknande den som informationstekniken genomgått under de senaste årtiondena och där saker kan spridas lika fritt som information.
