Samopodvajajoči se tiskalniki ustvarjajo predmete iz računalniških risb? Ni znanstvena fantastika, ampak resničnost, ki bo revolucionirala proizvodnjo
Čeprav se vam morda ne zdi, je bilo leto 1986 prelomno. Deregulacija londonske borze je spremenila naše razmišljanje o denarju; Černobil je spremenil naš način razmišljanja o jedrski energiji; Top Gun je spremenil naš način razmišljanja o filmski glasbi in, za tiste, ki ste pozorni, je ameriški gospod po imenu Chuck Hull spremenil naš način razmišljanja o proizvodnji.
Tistega leta, 11. marca (morda približno en milijon dni od tradicionalne ustanovitve Rima), je bil Hull izdan ameriški patent št. 4, 575, 330: 'Aparat za proizvodnjo tridimenzionalnih objektov s stereolitografijo'. Tako se je rodil 3D tiskalnik.
»Chuck Hull je bil tisti, ki je vse skupaj začel,« pravi Phil Kilburn, vodja prodaje v podjetju za 3D-tiskanje 3T RPD. Takrat je delal za Xerox in prišel na idejo o polaganju črnil eno na drugo, da bi ustvaril trden tridimenzionalni model. Prevzel je ta proces in ustanovil prvo podjetje za 3D-tiskanje, 3D Systems.’
Na začetku
Hullov izvirni 3D-tiskalnik je uporabil ultravijolično svetlobo za risanje dvodimenzionalne oblike na površino kadi tekočega fotopolimera, snovi, ki postane trdna, ko je izpostavljena ultravijoličnim žarkom. Ta proces se ponavlja znova in znova, pri čemer se gradijo 2D-plasti za ustvarjanje 3D-predmeta. Medtem ko so postopki in materiali, ki se uporabljajo v 3D-tiskalnikih, od takrat daleč napredovali, so osnove ostale enake.
»Stroji, ki jih zdaj uporabljamo, uporabljajo laserje,« pravi vodja IT podjetja 3T RPD Martyn Harris. "Postopek je izjemno pameten, vendar je v osnovni obliki zelo preprost: vzemite prah in ga stopite. Tako imate v naših strojih posteljo iz praškastega materiala, na primer najlona, ki se v komori tiskalnika segreje tik pod tališče. Laserji nato izrisujejo dvodimenzionalne prereze komponente, ki jo želite izdelati preko prahu, in vsakič stopijo 2D plast. Ko je plast zarisana, se postelja tiskalnika spusti za, recimo, 120 mikronov [0,12 mm], nato pa roka za ponovni premaz razporedi drugo plast praškastega materiala po vrhu in postopek se začne znova, pri čemer laserji sledijo iz naslednje plasti.'
Ta postopek temelji na metodi "sintranja", kjer pri visokih temperaturah atomi v delcih prahu difundirajo drug v drugega in postanejo trden kos. Vendar ni dovolj le usmeriti laser v plastiko in pričakovati, da se bo pojavil uporaben predmet.
»Najprej naredite 3D CAD [računalniško podprto načrtovanje] model tega, kar želite narediti,« pravi Harris.»Nato z uporabo programske opreme po meri zapakirate modele v virtualni 3D prostor, ki odraža velikost postelje tiskalnika. Od tam shranite vse svoje datoteke v STL – stereolitografijo ali triangulirane datoteke – in ko imate datoteke pripravljene, jih v bistvu vse razrežete na poljubno debelino, ki jo gradite. Vse te razrezane datoteke se pošljejo v računalnik, ki nadzoruje tiskalnik, nato pa je dovolj, da pritisnete go, in tiskalnik jih bo natisnil. Ironično je, da je veliko delov teh tiskalnikov natisnjenih na drugih tukajšnjih tiskalnikih, zato so postali samoponavljajoči.'
Harris je s podjetjem 3T RPD sodeloval zadnjih 13 let in nazadnje je ustanovil Race Ware, podjetje za kolesarske komponente, ki proizvaja svoje izdelke – od plastičnih nosilcev Garmin do lovilcev verig iz titana – s tiskalniki 3T RPD.
'V to sem se vključil, ker upravljam SRM in imam par Easton TT palic,' pravi Harris. »Ko sem šel iskat nosilec za palico, sem našel samo grozen komplet adapterjev, zato sem pomislil, da bi naredil svojega. Ugotovil sem, da če ga izdelujem zase, bom videl, ali ga želi še kdo drug, zato sem šel na forum TT in povprašal naokoli. Tip po imenu Jason Swann je rekel, da želi Garminovega in je bil oblikovalec CAD, zato mi je dal načrt. Potrebovali smo le tri ali štiri mesece, da smo prišli od prve ponovitve do različice, ki jo zdaj prodajamo.’
Kot navaja Harris, je eden od ključnih napredkov, ki jih prinaša 3D proizvodnja, hitrost in enostavnost, s katero je mogoče izdelke izdelati in izpopolniti. Celoten postopek od risalne deske do končnega izdelka je izjemno hiter v primerjavi z bolj tradicionalnimi metodami – čeprav lahko čas izdelave traja od nekaj ur do približno enega tedna, odvisno od kompleksnosti in števila izdelkov, ki se tiskajo.
'Za razliko od drugih proizvodnih procesov, kot je brizganje, pri 3D-tiskanju ni orodja,' pravi Harris. »Vse, kar moram storiti, je, da ustvarim model CAD, naredim nekaj testnih voženj, naredim nekaj popravkov in nato, ko bom z njim zadovoljen, začnem tiskati. Ljudje si težko pridejo v glavo. Sprašujejo, kakšen je dobavni rok in lahko odgovorim: "Dva ali tri tedne," medtem ko so navajeni, da nekdo reče: "Pripravljeno bo do četrtega četrtletja naslednjega leta."'
Hitra izdelava prototipov
Seveda 3T RPD in Race Ware nista edina; obstajajo drugi proizvajalci in industrije, ki trenutno izkoriščajo prednosti 3D-tiskanja in želijo premikati meje še dlje. Audi je uporabil robote za 3D tiskanje, da je ustvaril konceptno vozilo RSQ, ki se je pojavilo v filmu I, Robot; Ekipe Formule 1, kot je Sauber, uporabljajo 3D-natisnjene zavorne kanale na svojih avtomobilih, nazadnje pa je nizozemsko arhitekturno podjetje Dus Architects objavilo načrte za 3D-tiskanje celotne hiše. Torej, če je vse to izvedljivo (hiša bo domnevno zgrajena po delih na šest metrov visokem tiskalniku z imenom 'KarmerMaker'), kakšne so lahko posledice za sama kolesa? Človek, ki misli, da ve, je vodja raziskav in razvoja pri Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
'Zadnji dve ali tri leta tiskamo majhne prototipne komponente, kot je zavora za vilice Noah Fast,' pravi Van den Berk. "Ampak letos [2013] smo prvič natisnili cel okvir kot del razvoja naše nove različice kolesa Dean TT. Ni dovolj močan, da bi ga vozili ali preizkusili v stresnih situacijah, vendar je odličen za aero testiranje v vetrovniku in preskušanje sestavljanja, kjer ga lahko sestavimo s pravimi komponentami, da vidimo, ali vse ustreza.'
Tako kot pri Race Ware tudi ta posebna vrsta 3D-tiskanja – znana kot hitra izdelava prototipov – omogoča Ridleyu hitro in poceni spreminjanje. Dekan je začel z oblikami cevi, ki jih je preizkusil v tunelu. Nato smo zgradili celotne okvirje. Te preizkusimo, ocenimo, nato pa se vrnemo in naredimo majhne spremembe. To je odlična stvar – majhne spremembe je mogoče narediti zelo hitro. Preprosto morate pritisniti gumb in počakati, da tiskalnik preneha tiskati.
‘Prej si uporabljal računalnike in programsko opremo za izdelavo okvirja, vse do točke, ko daš zeleno luč in izdelovalci okvirjev začnejo rezati kalupe. Čeprav 3D-tiskanje ni poceni tehnologija, je zagotovo ceneje kot če odprete kalup, vidite, da je nekaj narobe z okvirjem in morate začeti znova, « dodaja Van de Berk.
Torej, če podjetja, kot je 3T RPD, lahko tiskajo v kovino in proizvajalci, kot je Ridley, že tiskajo cele prototipe okvirjev koles, zakaj ne bi mogli mi združiti obeh in začeti tiskati voznih koles?
'Za celoten okvir je precej težko zaradi načina, kako je okvir obremenjen med vožnjo,' pojasnjuje Van den Berk. "To je zapletena struktura, ki se mora spopasti z vsemi vrstami napetosti in obremenitev." Pri karbonu način ustvarjanja plasti naredi okvir močan ali trd v določeni smeri. S tiskanjem je veliko težje nadzorovati lastnosti
material in to otežuje izdelavo okvirja. Vendar gredo stvari vsekakor v to smer.’
Ekonomija obsega
Nazaj v Rokavskem prelivu v Bristolu je eno podjetje, za katerega je resničnost 3D-natisnjenih okvirjev vedno bližje – vsaj delno.
Charge Bikes sodeluje z EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) pri ustvarjanju prvih proizvodno natisnjenih izpustov. Izdelki iz titana Ti6Al4V so natisnjeni v obratu EADS, preden se pošljejo na Tajvan, da se privarijo v zamrzovalna kolesa Charge. Čeprav so EN testiranje in napornih osem mesecev pod vodstvom Charge pro kolesarja Chrisa Metcalfa pokazali, da so osipniki prav tako uspešni kot njihovi bratranci s CNC-jem, oni in proces, katerega del so, niso brez omejitev.
Neil Cousins iz Charge pravi: »Trenutno natisnjeni izpadi dodajo 20 % k ceni standardnega zamrzovalnega okvirja, delno zato, ker lahko vsaka zgradba zaradi velikosti tiskalnika ustvari največ 50 izpadov. Prav tako smo omejeni s številom tiskalnikov – trenutno jih imajo le še tri podjetja v Združenem kraljestvu – ter strokovnim znanjem in veščinami, potrebnimi za njihovo uporabo.«
Cousins poudarja, da ni razloga, da se v prihodnosti stroški izdelave takšnih delov ne bi mogli znižati, ko se velikosti in število strojev povečujejo, vendar je zaenkrat realen glede tega, kam gre tehnologija: Mi smo vedno pripravljajo načrte za dele in so pravkar tukaj najeli novega industrijskega oblikovalca. Ne pozabite, da bo veliko delov tako dragih, da moramo paziti, da ne naredimo nečesa, kar bo leta ležalo na policah naših distributerjev. Kljub temu je bilo veliko velikih igralcev v kolesarski industriji v stiku z nami in EADS-om, da bi dobili več informacij o tehnologiji, in kratkoročno lahko zlahka vidim, da se 3D-tiskanje uporablja za izdelavo komponent, kot so pesta, mehi in kasete.'
Martyn Harris iz Race Ware je morda korak naprej, saj je sodeloval z aerodinamičnim gurujem Simonom Smartom pri izdelavi stebla iz titana. Čeprav še zdaleč ni dokončan predmet, ki bi ga bilo mogoče prodati (Harris ocenjuje, da ga je trenutna različica stala 5000 funtov, zato bi bila zamenjava lahko nekoliko težavna), služi samo za dokazovanje, na kateri ravni je trenutno 3D-tiskanje, in tudi, kaj potrebno bo, da pridemo tja, kamor bi želela priti podjetja, kot sta Race Ware in Charge.
»Ključ do prihodnosti 3D-tiskanja je razumevanje procesa,« pravi Phil Kilburn iz 3T RPD. „Potrebovali smo veliko misijonarskega dela, da smo prepričali ljudi v tehnologijo, da smo ljudi poučili o tem, kaj lahko in česa ne. Šele ko razumete postopek, ga lahko izkoristite. Do tja še ni prišlo, a ko bo, bo 3D-tiskanje eksplodiralo.’
Drobni tisk: Kako 3D tiskanje dejansko deluje
- Poleg gradnje iz plastike ima 3T RPD vrsto strojev za tiskanje kovinskih delov, kot so ti lovilci verig iz titana, ki jih je naročilo Race Ware.
- Komora tiskalnika se segreje na 70 °C, preden laser z enim vlaknom, ki deluje pri 1000 °C+, izriše dvodimenzionalne plasti v postelji titanovega prahu.
- Svetla bela svetloba, ki jo lahko vidite, ni pika laserja, temveč intenzivna svetloba, ki se oddaja, ko se titan v prahu stopi.
- Lovilci verige so zgrajeni v 20-mikronskih plasteh – po izrisu vsake plasti se postelja tiskalnika spusti za 0,02 mm, preden se razporedi nova plast prahu.
- Kovinska ležišča tiskalnikov so običajno veliko manjša od plastičnih ležišč tiskalnikov. Toda najnovejši stroji 3T RPD so že izdelani za 50 % višje od svojih predhodnikov.
- Velika težava pri povečevanju tiskalnikov je lasersko ostrenje. Manjši kovinski tiskalniki uporabljajo en sam laser, medtem ko morajo plastični tiskalniki z večjo površino uporabljati dva.
- Tiskanje treh lovilcev verige iz titana traja približno štiri ure. V posteljo tiskalnika je mogoče stlačiti do 50, vendar se bo čas gradnje podaljšal na približno 12 ur.
- Ko je gradnja končana, je mogoče dele odstraniti skoraj tako, kot bi vzeli kamen iz kupa peska. Velik del ostanka prahu se reciklira in vrne v naslednjo zgradbo.
