Samoreplicirajući štampači koji kreiraju objekte iz kompjuterskih crteža? Nije naučna fantastika, već stvarnost koja će revolucionirati proizvodnju
Iako možda ne mislite, 1986. je bila ključna godina. Deregulacija Londonske berze promijenila je način na koji smo razmišljali o novcu; Černobil je promijenio način na koji smo razmišljali o nuklearnoj energiji; Top Gun je promijenio način na koji smo razmišljali o filmskim zvučnim zapisima, a, za one koji pažljivo obraćaju pažnju, američki džentlmen po imenu Chuck Hull promijenio je način na koji smo razmišljali o proizvodnji.
Te godine, 11. marta (možda otprilike milion dana od tradicionalnog osnivanja Rima), Hullu je izdat američki patent broj 4, 575, 330: „Aparat za proizvodnju trodimenzionalnih objekata stereolitografijom“. I tako je rođen 3D štampač.
‘Chuck Hull je bio tip koji je sve započeo’, kaže Phil Kilburn, menadžer prodaje u kompaniji za 3D štampanje 3T RPD. 'U to vrijeme radio je za Xerox i došao je na ideju da stavi mastilo jedno na drugo kako bi stvorio čvrst trodimenzionalni model. On je preuzeo ovaj proces i pokrenuo prvu kompaniju za 3D štampanje, 3D Systems.’
Na početku
Hullov originalni 3D štampač koristio je ultraljubičasto svjetlo da nacrta dvodimenzionalni oblik preko površine posude s tečnim fotopolimerom, tvari koja postaje čvrsta kada je izložena ultraljubičastim zracima. Ovaj proces se dešava iznova i iznova, izgrađujući 2D slojeve za kreiranje 3D objekta. Dok su procesi i materijali koji se koriste u 3D štampačima od tada prešli dug put, rudimenti ostaju isti.
„Mašine koje koristimo sada koriste lasere“, kaže IT menadžer 3T RPD-a Martyn Harris. „Proces je izuzetno pametan, ali u svom osnovnom obliku vrlo je jednostavan: uzmite malo praha i rastopite ga. Dakle, u našim mašinama imate podlogu od praškastog materijala, na primjer najlona, koji se zagrije u komori štampača do tik ispod tačke topljenja. Laseri zatim prate dvodimenzionalne poprečne preseke komponente koju želite da proizvedete preko praha, topeći svaki put 2D sloj. Jednom kada se sloj iscrta, sloj štampača se spušta za, recimo, 120 mikrona [0,12 mm], zatim ruka za ponovno premazivanje širi drugi sloj praškastog materijala preko vrha i proces počinje ponovo, sa laserskim praćenjem izaći sljedeći sloj.'
Ovaj proces je zasnovan na metodi 'sinterovanja', gdje na visokim temperaturama atomi u česticama praha difundiraju jedan u drugi i postaju čvrsti komad. Ali nije dovoljno samo uperiti laser u neku plastiku i očekivati da će izroniti koristan predmet.
‘Ono što prvo uradite je da napravite 3D CAD [kompjuterski potpomognut dizajn] model onoga što želite da napravite’, kaže Harris.„Zatim, koristeći softver po meri, spakujete modele u virtuelni 3D prostor koji odražava veličinu kreveta za štampač. Odatle spremate sve svoje datoteke u STL – stereolitografiju ili triangulirane datoteke – i kada pripremite datoteke, u osnovi ih sve isječete na bilo koju debljinu koju gradite. Svi ti isečeni fajlovi se šalju na računar koji kontroliše štampač i onda je to samo slučaj da pritisnete go, i štampač će to odštampati. Ironično, mnogi delovi ovih štampača su štampani na drugim štampačima ovde, tako da su postali samoponavljajući.’
Harris je bio uključen u 3T RPD proteklih 13 godina i nedavno je osnovao Race Ware, kompaniju za biciklističke komponente koja proizvodi svoje proizvode – od plastičnih Garmin nosača do titanijumskih hvatača lanaca – koristeći 3T RPD štampače.
'Ušao sam u ovo jer imam SRM i imam par Easton TT šipki,' kaže Haris. 'Kada sam otišao da tražim nosač za šipku, sve što sam mogao pronaći je užasan komplet adaptera, pa sam mislio da napravim svoj. Mislio sam da ću, ako pravim jedan za sebe, vidjeti da li još neko želi, pa sam otišao na TT forum i raspitao se okolo. Ovaj tip po imenu Jason Swann rekao je da želi Garmin, a bio je CAD dizajner pa mi je dao dizajn. Trebalo nam je samo tri ili četiri mjeseca da pređemo od prve iteracije do verzije koju sada prodajemo.’
Kao što Harris navodi, jedan od ključnih napretka koji dolazi sa 3D proizvodnjom je brzina i lakoća kojom se proizvodi mogu proizvoditi i brusiti. Cjelokupni proces od ploče za crtanje do gotovog proizvoda je izuzetno brz u poređenju sa tradicionalnijim metodama – iako vrijeme izrade može trajati od nekoliko sati do otprilike jedne sedmice, ovisno o složenosti i broju proizvoda koji se štampaju.
‘Za razliku od drugih proizvodnih procesa, kao što je brizganje, kod 3D štampanja nema alata’, kaže Haris. „Sve što treba da uradim je da kreiram CAD model, uradim nekoliko probnih radnji, napravim nekoliko podešavanja i onda kada budem zadovoljan, počnem da štampam. Ljudima je teško doći do toga. Pitaju koliko je rok isporuke, a ja mogu da odgovorim: "Dve ili tri nedelje", dok su oni navikli da neko kaže: "Biće gotovo do četvrtog kvartala sledeće godine."
Brza izrada prototipa
Naravno da 3T RPD i Race Ware nisu sami; postoje drugi proizvođači i industrije koji trenutno ubiru prednosti 3D štampanja i žele da pomjere granice još dalje. Audi je koristio robote za 3D štampanje za kreiranje konceptnog automobila RSQ koji se pojavio u filmu I, Robot; Timovi Formule 1 kao što je Sauber koriste 3D štampane kočione kanale na svojim automobilima, a nedavno je holandska arhitektonska firma Dus Architects objavila planove za 3D štampanje cijele kuće. Dakle, ako je sve ovo izvodljivo (kuća će navodno biti izgrađena u dijelovima na šest metara visokom štampaču nazvanom „KarmerMaker“), kakve bi implikacije mogle biti na same bicikle? Jedan čovjek koji misli da zna je šef istraživanja i razvoja u Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
‘Štampali smo male prototipne komponente posljednje dvije ili tri godine, poput kočnice za Noah Fast viljušku,’ kaže Van den Berk. „Ali po prvi put ove godine [2013.] odštampali smo cijeli okvir kao dio razvoja naše nove verzije Dean TT bicikla. Nije dovoljno jak za vožnju ili testiranje na stres, ali je odličan za aero testiranje u aerotunelu i testiranje sklopa, gdje ga možemo izgraditi pravim komponentama da vidimo da li sve odgovara.’
Kao i kod Race Warea, ova posebna vrsta 3D štampe – poznata kao brza izrada prototipa – omogućava Ridleyju da izvrši izmjene brzo i jeftino. „Dekan je počeo s oblicima cijevi za testiranje u tunelu. Zatim smo napravili kompletne okvire. Testiramo ih, procjenjujemo, a zatim se vraćamo i pravimo male promjene. To je sjajna stvar - male promjene se mogu napraviti vrlo brzo. Samo treba da pritisnete dugme i sačekate da štampač prestane da štampa.
‘Ranije ste koristili kompjutere i softver za kreiranje okvira, sve do tačke kada date zeleno svetlo i proizvođači okvira počnu da režu kalupe. Iako 3D štampa nije jeftina tehnologija, svakako je jeftinija od otvaranja kalupa, kada vidite da nešto nije u redu s okvirom i morate početi ispočetka, dodaje Van de Berk.
Dakle, ako kompanije kao što je 3T RPD mogu štampati u metalu, a proizvođači kao što je Ridley već štampaju čitave prototipne okvire bicikala, zašto ne bismo mogli da spojimo to dvoje i počnemo da štampamo bicikle za vožnju?
‘Za kompletan okvir je prilično teško zbog načina na koji se okvir opterećuje tokom vožnje’, objašnjava Van den Berk. 'To je složena struktura koja mora biti sposobna nositi se sa svim vrstama naprezanja i naprezanja. Sa karbonom, način na koji kreirate slojeve je ono što čini okvir jakim ili krutim u određenom smjeru. Sa štampanjem je mnogo teže kontrolisati svojstva
materijal i to je ono što otežava proizvodnju okvira. Međutim, stvari sigurno idu u tom smjeru.’
Ekonomija obima
Nazad preko Kanala u Bristolu, postoji jedna kompanija kojoj je stvarnost 3D štampanih okvira sve bliža – barem delimično.
Charge Bikes radi sa EADS-om (European Aeronautic Defence and Space Company) na stvaranju prvih proizvodno štampanih odustajanja. Napravljeni od Ti6Al4V titanijuma, ispadi se štampaju u EADS-ovoj fabrici pre nego što se otpreme na Tajvan kako bi bili zavareni u Charge-ove frizure cross bicikle. Međutim, dok EN testiranje i iscrpljujućih osam mjeseci pod vodstvom Charge pro ridera Chrisa Metcalfea su pokazali da su odustali jednako uspješni kao i njihovi rođaci s CNC-om, oni i proces čiji su dio nisu bez ograničenja.
Chargeov Neil Cousins kaže: 'Trenutno odštampane greške dodaju 20% na cijenu standardnog okvira zamrzivača, dijelom zato što svaka izrada može proizvesti najviše 50 ispadanja zbog veličine štampača. Također smo ograničeni brojem štampača koji postoje – trenutno ih imaju samo tri druge kompanije u UK – i stručnošću i vještinama potrebnim za njihovo korištenje.’.
Cousins ističe da nema razloga zašto se u budućnosti troškovi proizvodnje takvih dijelova ne smanjuju kako se povećavaju veličine i broj mašina, ali za sada je realan oko toga kuda tehnologija ide: 'Mi smo uvijek smišlja planove za dijelove i upravo sam ovdje zaposlio novog industrijskog dizajnera. Jedna stvar koju treba zapamtiti je da će mnogi dijelovi biti toliko skupi da moramo paziti da ne radimo nešto što će godinama stajati na policama naših distributera. Uz to, mnogi veliki igrači u industriji bicikala bili su u kontaktu s nama i EADS-om kako bi dobili više informacija o tehnologiji, a kratkoročno mogu lako vidjeti da se 3D štampanje koristi za izradu komponenti kao što su čvorišta, mehanizmi i kasete.'
Martyn Harris iz Race Warea mogao bi biti jedan korak ispred, jer je sarađivao sa aerodinamičkim guruom Simonom Smartom kako bi napravio stablo od titanijuma. Iako daleko od toga da je gotov predmet koji se može prodati (Harris procjenjuje da ga je trenutna verzija koštala 5.000 funti, pa bi prebacivanje jednog moglo biti malo teško), on samo služi da dokaže na kojem je nivou 3D štampanje trenutno, kao i na čemu biće potrebno da stignemo tamo gde bi kompanije kao što su Race Ware i Charge želele da odu.
‘Ključ budućnosti 3D štampanja je razumijevanje procesa’, kaže Phil Kilburn iz 3T RPD-a. „Bilo je potrebno mnogo misionarskog rada s naše strane da navedemo ljude da povjeruju u tehnologiju, da edukujemo ljude o tome šta ona može, a šta ne može. Tek kada shvatite proces, možete ga iskoristiti. Još nije baš stiglo, ali kada dođe, 3D štampanje će eksplodirati.’
Sitni otisak: kako 3D štampa zapravo funkcionira
- Pored izrade od plastike, 3T RPD ima seriju mašina koje štampaju metalne delove, kao što su ovi hvatači lanaca od titanijuma koje je naručio Race Ware.
- Komora štampača se zagreva na 70°C, pre nego što laser sa jednim vlaknom, koji radi na 1000°C+, iscrta dvodimenzionalne slojeve u sloju titanijumovog praha.
- Jarko bijelo svjetlo koje možete vidjeti nije tačka lasera, već intenzivna svjetlost koja se emituje dok se titanijum u prahu topi.
- Hvatači lanca su ugrađeni u slojeve od 20 mikrona – nakon što se svaki sloj iscrta, ležište štampača se spušta za 0,02 mm prije nego što se raširi svježi sloj praha.
- Metalni kreveti za štampače obično su mnogo manji od plastičnih ležajeva za štampače. Ali najnovija od 3T RPD mašina se već proizvodi 50% bolje od svojih prethodnika.
- Veliki problem sa povećanjem štampača dolazi sa laserima za fokusiranje. Manji metalni štampači koriste jedan laser, dok plastični štampači veće površine moraju koristiti dva.
- Štampanje tri hvatača lanaca u titanijumu traje oko četiri sata. Do 50 se može ugurati u ležište štampača, ali vrijeme izrade će se povećati na oko 12 sati.
- Kada je gradnja gotova, dijelovi se mogu ukloniti skoro kao vađenje kamena iz gomile pijeska. Veliki dio preostalog pudera se reciklira i vraća u sljedeću građu.
