Drukarki samoreplikujące tworzące obiekty z rysunków komputerowych? Nie science fiction, ale rzeczywistość, która zrewolucjonizuje produkcję
Chociaż może ci się nie wydawać, rok 1986 był rokiem przełomowym. Deregulacja giełdy londyńskiej zmieniła nasz sposób myślenia o pieniądzach; Czarnobyl zmienił sposób, w jaki myśleliśmy o energii jądrowej; Top Gun zmienił nasz sposób myślenia o ścieżkach dźwiękowych do filmów, a dla tych, którzy zwracają szczególną uwagę, amerykański dżentelmen o nazwisku Chuck Hull zmienił nasz sposób myślenia o produkcji.
Tego roku, 11 marca (prawdopodobnie około milion dni od tradycyjnego założenia Rzymu), Hull otrzymał patent USA nr 4, 575, 330: „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”. I tak narodziła się drukarka 3D.
„Chuck Hull był facetem, od którego wszystko się zaczęło” – mówi Phil Kilburn, kierownik sprzedaży w firmie 3T RPD zajmującej się drukowaniem 3D. „Pracował w tym czasie dla Xerox i wpadł na pomysł, aby nakładać na siebie atramenty, aby stworzyć solidny trójwymiarowy model. Podjął ten proces i założył pierwszą firmę drukującą 3D, 3D Systems.’
Na początku
Oryginalna drukarka 3D Hulla wykorzystywała światło ultrafioletowe do narysowania dwuwymiarowego kształtu na powierzchni kadzi z płynnym fotopolimerem, substancją, która zamienia się w ciało stałe pod wpływem promieni ultrafioletowych. Ten proces powtarza się w kółko, tworząc warstwy 2D w celu stworzenia obiektu 3D. Chociaż procesy i materiały stosowane w drukarkach 3D przeszły długą drogę od tego czasu, podstawy pozostają takie same.
„Maszyny, których obecnie używamy, wykorzystują lasery” - mówi kierownik ds. IT w 3T RPD, Martyn Harris. „Proces jest niezwykle sprytny, ale w swojej podstawowej formie jest bardzo prosty: weź trochę proszku i rozpuść go. W naszych maszynach masz więc łoże ze sproszkowanego materiału, na przykład nylonu, który jest podgrzewany w komorze drukarki do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia. Lasery następnie śledzą dwuwymiarowe przekroje elementu, który chcesz wyprodukować na proszku, za każdym razem topiąc warstwę 2D. Po prześledzeniu warstwy, stół drukarki opada o, powiedzmy, 120 mikronów [0,12 mm], następnie ramię do ponownego powlekania rozprowadza kolejną warstwę sproszkowanego materiału na wierzchu i proces rozpoczyna się od nowa, z śledzącymi laserami następną warstwę.'
Proces ten opiera się na metodzie „spiekania”, w której w wysokich temperaturach atomy w cząsteczkach proszku dyfundują do siebie i stają się solidnym kawałkiem. Ale nie wystarczy wycelować laserem w jakiś plastik i oczekiwać, że pojawi się użyteczny przedmiot.
„Najpierw robisz model 3D CAD [projektowanie wspomagane komputerowo] tego, co chcesz zrobić” – mówi Harris.„Następnie za pomocą specjalnego oprogramowania pakujesz modele w wirtualną przestrzeń 3D, która odzwierciedla rozmiar stołu drukarki. Stamtąd zapisujesz wszystkie swoje pliki w formacie STL – stereolitografii lub plikach triangulowanych – a kiedy masz gotowe pliki, w zasadzie tniesz je wszystkie na dowolną grubość, którą budujesz. Wszystkie te pokrojone pliki są wysyłane do komputera, który kontroluje drukarkę, a następnie wystarczy nacisnąć przycisk Go, a drukarka je wydrukuje. Jak na ironię, wiele części tych drukarek jest drukowanych na innych drukarkach, więc stały się samopowtarzalne”.
Harris jest związany z 3T RPD od 13 lat, a ostatnio założył Race Ware, firmę produkującą komponenty rowerowe, która produkuje swoje produkty – od plastikowych uchwytów Garmin po tytanowe łapacze łańcuchów – przy użyciu drukarek 3T RPD.
„Wciągnąłem się w to, ponieważ prowadzę SRM i mam parę kierownic Easton TT”, mówi Harris. „Kiedy poszedłem szukać uchwytu na kierownicę, wszystko, co mogłem znaleźć, to jakiś okropny zestaw adapterów, więc pomyślałem, że zrobię własny. Pomyślałem, że jeśli zrobię coś dla mnie, zobaczę, czy ktoś inny też tego chce, więc wszedłem na forum TT i zapytałem. Ten facet o imieniu Jason Swann powiedział, że chciałby Garmina i był projektantem CAD, więc dał mi projekt. Przejście od pierwszej iteracji do wersji, którą teraz sprzedajemy, zajęło nam tylko trzy lub cztery miesiące.”
Jak wskazuje Harris, jednym z kluczowych postępów w produkcji 3D jest szybkość i łatwość wytwarzania i szlifowania produktów. Cały proces od deski kreślarskiej do gotowego artykułu jest wyjątkowo szybki w porównaniu z bardziej tradycyjnymi metodami – chociaż czas budowy może zająć od kilku godzin do około tygodnia, w zależności od złożoności i liczby drukowanych produktów.
„W przeciwieństwie do innych procesów produkcyjnych, takich jak formowanie wtryskowe, w druku 3D nie ma narzędzi”, mówi Harris. „Wszystko, co muszę zrobić, to stworzyć model CAD, wykonać kilka testów, wprowadzić kilka poprawek, a kiedy jestem z niego zadowolony, zacząć drukować. Ludziom trudno się to zorientować. Pytają, jaki jest czas realizacji, a ja mogę odpowiedzieć: „Dwa lub trzy tygodnie”, podczas gdy są przyzwyczajeni do tego, że ktoś mówi: „Będzie gotowy do czwartego kwartału przyszłego roku”.”
Szybkie prototypowanie
Oczywiście 3T RPD i Race Ware nie są same; są inni producenci i branże, które obecnie czerpią korzyści z drukowania 3D i chcą przesuwać granice jeszcze dalej. Audi wykorzystało roboty drukujące 3D do stworzenia samochodu koncepcyjnego RSQ, który pojawił się w filmie I, Robot; Zespoły Formuły 1, takie jak Sauber, używają wydrukowanych w 3D przewodów hamulcowych w swoich samochodach, a ostatnio holenderska firma architektoniczna Dus Architects ogłosiła plany wydrukowania w 3D całego domu. A zatem, jeśli to wszystko jest wykonalne (dom zostanie rzekomo zbudowany w częściach na sześciometrowej drukarce o nazwie „KarmerMaker”), jakie mogą być konsekwencje dla samych rowerów? Jeden człowiek, który myśli, że wie, jest szefem badań i rozwoju w rowerach Ridley, Dirk Van den Berk.
„Przez ostatnie dwa lub trzy lata drukowaliśmy małe prototypowe komponenty, takie jak hamulec do szybkiego widelca Noah” – mówi Van den Berk. „Ale po raz pierwszy w tym roku [2013] wydrukowaliśmy całą ramę w ramach rozwoju naszej nowej wersji roweru Dean TT. Nie jest wystarczająco mocny, aby można go było jeździć lub testować w warunkach skrajnych, ale świetnie nadaje się do testów aerodynamicznych w tunelu aerodynamicznym i testów montażowych, gdzie możemy zbudować go z prawdziwych komponentów, aby zobaczyć, że wszystko pasuje”.
Podobnie jak w przypadku Race Ware, ten szczególny rodzaj druku 3D – znany jako szybkie prototypowanie – pozwala Ridleyowi na szybkie i tanie wprowadzanie zmian. „Dziekan zaczął od kształtów rur do testowania w tunelu. Następnie zbudowaliśmy kompletne ramy. Testujemy je, oceniamy, a następnie wracamy i wprowadzamy małe zmiany. To świetna rzecz – małe zmiany można wprowadzić bardzo szybko. Wystarczy nacisnąć przycisk i poczekać, aż drukarka przestanie drukować.
‘Wcześniej używałeś komputerów i oprogramowania do tworzenia ramy, aż do momentu, w którym dasz zielone światło, a twórcy ram zaczynają wycinać formy. Chociaż druk 3D nie jest tanią technologią, z pewnością jest tańszy niż otwieranie formy, zauważenie czegoś nie tak z ramą i konieczność zaczynania od nowa” – dodaje Van de Berk.
Tak więc, jeśli firmy takie jak 3T RPD mogą drukować w metalu, a producenci tacy jak Ridley już drukują całe prototypowe ramy rowerowe, dlaczego nie możemy połączyć tych dwóch elementów i zacząć drukować rowery do jeżdżenia?
„W przypadku kompletnej ramy jest to dość trudne ze względu na sposób, w jaki rama jest ładowana podczas jazdy”, wyjaśnia Van den Berk. „To złożona struktura, która musi radzić sobie z wszelkiego rodzaju naprężeniami i odkształceniami. W przypadku karbonu sposób, w jaki tworzysz warstwy, sprawia, że rama jest mocna lub sztywna w określonym kierunku. W przypadku drukowania znacznie trudniej jest kontrolować właściwości
materiał i to sprawia, że produkcja ram jest trudna. Jednak sprawy z pewnością idą w tym kierunku”.
Ekonomia skali
Powrót nad kanałem w Bristolu, jest jedna firma, dla której rzeczywistość ramek drukowanych w 3D jest coraz bliższa – przynajmniej częściowo.
Charge Bikes współpracuje z EADS (European Aeronautic Defence and Space Company), aby stworzyć pierwsze drukowane haki. Wykonane z tytanu Ti6Al4V haki są drukowane w zakładzie EADS, zanim zostaną wysłane na Tajwan, aby wspawać je w rowery Freezer Cross. Jednak podczas gdy testy EN i wyczerpujące osiem miesięcy pod kierownictwem profesjonalisty Charge, Chrisa Metcalfe'a, pokazały, że odpadki są tak samo skuteczne, jak ich kuzyni CNC, oni i proces, którego są częścią, nie są bez ograniczeń.
Neil Cousins z Charge mówi: „Obecnie drukowane zaniki dodają 20% do kosztu standardowej ramy Freezera, po części dlatego, że każda kompilacja może wyprodukować maksymalnie 50 zaników ze względu na rozmiar drukarki. Ogranicza nas również liczba drukarek – obecnie posiadają je tylko trzy inne firmy w Wielkiej Brytanii – oraz specjalistyczna wiedza i umiejętności potrzebne do ich używania”.
Kuzyni zwracają uwagę, że nie ma powodu, dla którego w przyszłości koszty produkcji takich części nie miałyby spadać wraz ze wzrostem rozmiarów i liczby maszyn, ale na razie ma realistyczną wizję kierunku, do którego zmierza ta technologia: „Jesteśmy zawsze wymyślam plany części i właśnie zatrudniłem tutaj nowego projektanta przemysłowego. Należy pamiętać, że wiele części będzie tak drogich, że musimy uważać, aby nie zrobić czegoś, co przez lata będzie siedzieć na półkach naszych dystrybutorów. To powiedziawszy, wielu dużych graczy w branży rowerowej skontaktowało się z nami i EADS, aby uzyskać więcej informacji na temat technologii, a w perspektywie krótkoterminowej mogę łatwo zobaczyć, jak drukowanie 3D jest wykorzystywane do produkcji komponentów, takich jak piasty, mechy i kasety.'
Martyn Harris z Race Ware może być o krok do przodu, współpracując z guru aerodynamiki Simonem Smartem, aby stworzyć tytanowy mostek. Choć daleko mu do gotowego przedmiotu, który można sprzedać (Harris szacuje, że aktualna wersja kosztowała go 5000 funtów, więc zmiana jednego może być trochę trudna), służy jedynie do udowodnienia, na jakim poziomie znajduje się obecnie druk 3D, a także na jakim poziomie. to zajmie, aby dotrzeć do miejsca, w którym firmy takie jak Race Ware i Charge chciałyby się udać.
„Kluczem do przyszłości druku 3D jest zrozumienie procesu”, mówi Phil Kilburn z 3T RPD. „Z naszej strony trzeba było dużo pracy misyjnej, aby ludzie uwierzyli w technologię, aby edukować ludzi, co może, a czego nie może zrobić. Dopiero po zrozumieniu procesu możesz z niego skorzystać. Jeszcze do tego nie doszło, ale kiedy to nastąpi, drukowanie 3D eksploduje”.
Drobny druk: jak właściwie działa drukowanie 3D
- Oprócz produkcji z plastiku, 3T RPD posiada serię maszyn, które drukują metalowe części, takie jak te tytanowe łapacze łańcuchów zamówione przez Race Ware.
- Komora drukarki jest podgrzewana do 70°C, zanim pojedynczy laser światłowodowy, działający w temperaturze 1000°C+, prześledzi dwuwymiarowe warstwy w warstwie sproszkowanego tytanu.
- Jasne białe światło, które możesz zobaczyć, nie jest plamką lasera, ale raczej intensywnym światłem, które jest emitowane, gdy sproszkowany tytan staje się stopiony.
- Łańcuchowe chwytacze są zbudowane z 20-mikronowych warstw – po prześledzeniu każdej warstwy łoże drukarki opada o 0,02 mm, zanim rozprowadzi się świeża warstwa proszku.
- Metalowe stoliki do drukarek są zwykle znacznie mniejsze niż plastikowe stoliki do drukarek. Ale najnowsze maszyny 3T RPD są już o 50% wyższe niż ich poprzednicy.
- Poważnym problemem związanym z powiększaniem drukarek są lasery skupiające. Mniejsze drukarki metalowe używają jednego lasera, podczas gdy drukarki plastikowe o większej powierzchni muszą używać dwóch.
- Drukowanie trzech chwytaków łańcucha z tytanu zajmuje około czterech godzin. W łożu drukarki można zmieścić do 50, ale czas budowy wydłuży się do około 12 godzin.
- Kiedy budowa jest skończona, części można usunąć prawie tak, jak wyciąganie kamienia ze stosu piasku. Duża część pozostałego proszku jest poddawana recyklingowi i wkładana z powrotem do następnej budowy.
