W przypadku druku trójwymiarowego funkcję tuszu pełnią zazwyczaj tworzywa sztuczne. To wystarczy na potrzeby amatorów oraz do niektórych zastosowań profesjonalnych, jednak w hardcore’owych warunkach już się nie sprawdzi. Jak np. tam, gdzie tusz musi wejść w kontakt z ciekłym metalem o temperaturze grubo ponad tysiąca stopni Celsjusza. Czyli w odlewnictwie.

A to właśnie ta branża wiąże z drukiem 3D największe nadzieje. Dlaczego? Bo technologia ta pozwala na wykonywanie szczegółowych modeli. A technika ich tworzenia jest tak samo ważna (jeśli nie ważniejsza) dla odlewników jak wiedza o właściwościach stopów. W końcu te wszystkie odlane metalowe elementy musiały dzięki czemuś zyskać swój kształt – i tym czymś są właśnie modele.

Problem polega na tym, że niewiele materiałów wytrzyma kontakt z ciekłym, gorącym do białości metalem. Stąd poszukiwania takich, które nie tylko zniosą tak ekstremalne warunki, ale też da się nimi drukować, czyli nakładać warstwa po warstwie jak w drukarce. O tym, że cały proces musi być opłacalny ekonomicznie, chyba nie trzeba wspominać. – To Święty Graal branży. Pracują nad tym setki firm i laboratoriów na całym świecie – tłumaczy mgr inż. Andrzej Gil z Instytutu Odlewnictwa w Krakowie.

Aby jednak lepiej zrozumieć perspektywy, jakie przed odlewnictwem otwiera druk 3D, pochylmy się nad tym, jak ta dziedzina wygląda dzisiaj.

Kluczowym elementem sztuki odlewniczej jest to, w jaki sposób nadamy ciekłemu metalowi docelowy kształt. Zanim więc zaczniemy palić w piecu, trzeba stworzyć model przedmiotu, jaki chcemy uzyskać. Ten model następnie obkładamy warstwą innego materiału tak, żeby odcisnął się w jego wnętrzu. W ten sposób powstaje forma. – W tym wypadku model jest jak pozytyw, a forma jak negatyw – mówi prof. Jerzy Józef Sobczak.

Tak powstałą całość podgrzewa się, aby materiał, z którego wykonany jest model, wytopić, a jednocześnie utwardzić formę. To dlatego model często wykonany jest z wosku, zaś do form używa się materiałów ceramicznych. Te ostatnie odlewnicy cenią za to, że łatwo się z nimi pracuje, zaś po wypaleniu są w stanie wytrzymać kontakt z ciekłym metalem. Po wykonaniu odlewu formę najczęściej się rozbija.

Cały proces jest więc dwuetapowy; druk 3D niesie nadzieję na zredukowanie go do jednego etapu. To znaczne uproszczenie procesu, ale też oszczędność czasowa; jak mówią inżynierowie z Instytutu Odlewnictwa, niektóre modele powstają nawet kilka tygodni. – A czasem jest to po prostu niemożliwe. Są takie kształty, których nie wykona nawet najzdolniejszy modelarz – tłumaczy dr inż. Zdzisław Żółkiewicz.

Odlewnicy łapczywie patrzą więc na druk 3D, bo otwiera przed nimi drogę do tworzenia kształtów, na które nie pozwalają im obecne metody. Do tego dochodzą inne ułatwienia, jak projektowanie w formach drobnych kanalików, dzięki którym ze stygnącego odlewu mogą uciekać gazy (jeśli nie zapewni się im ujścia, zgromadzą się gdzieś w odlewie, pogarszając jego właściwości mechaniczne).

Dlatego wyścig o odpowiedni atrament to wyścig o naprawdę wysoką stawkę – ni mniej, ni więcej, tylko jak o przyszłość całej branży. A wiadomo, kto prześcignie peleton, ten ma szansę na pionierską rentę. – Odpowiednie mieszanki istnieją już teraz, ale są bardzo drogie – tłumaczy mgr Gil.

Z drugiej strony wymyślić tani tusz też nie jest prosto. Inżynierowie mówią, że jedyna metoda to metoda prób i błędów wsparta wiedzą z zakresu chemii budowlanej. Zdarza się i tak, że pewne dodatki polepszają jedną właściwość tuszu, ale pogarszają inną. A tu wszystkie parametry muszą być pierwsza klasa. – Nie każda ceramika się do tego nadaje. Tutaj coś się nie sklei, tutaj powstanie pęcherz gazowy. A to musi wytrzymać szok związany z wpłynięciem metalu do formy, a następnie wytrzymać nawet kilka godzin stygnięcia z takich temperatur, gdzie wszystko reaguje ze wszystkim – mówi mgr inż. Krzysztof Nosal z Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych.

Naukowcy z IOd i ICiMB są przekonani, że są już blisko rozwikłania zagadki. Na razie udało im się stworzyć materiał (oczywiście skład jest tajny; wiadomo, że to mieszanka ceramiczna, spoiwo organiczne i dodatki modyfikujące), który sprawdza się w przypadku modeli, ale jeszcze nie spełnia wyśrubowanych wymagań dla form. – Na wrześniowym światowym kongresie odlewnictwa powinniśmy już jednak móc coś zaprezentować – śmieje się prof. Sobczak.

>>> Czytaj też: Eureka: Smartwatch mierzy, jak zalewa nas krew

Eureka! DGP

Trwa piąta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 15 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 78 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.