Önreplikáló nyomtatók számítógépes rajzokból objektumokat hoznak létre? Nem sci-fi, hanem egy valóság, amely forradalmasítja a gyártást
Bár talán nem gondolja, 1986 kulcsfontosságú év volt. A londoni tőzsde deregulációja megváltoztatta a pénzről alkotott gondolkodásunkat; Csernobil megváltoztatta az atomenergiáról alkotott elképzeléseinket; A Top Gun megváltoztatta a filmzenékről alkotott elképzeléseinket, és azoknak, akik odafigyelnek, egy Chuck Hull nevű amerikai úriember megváltoztatta a gyártásról alkotott elképzeléseinket.
Abban az évben, március 11-én (talán egymillió nappal Róma hagyományos alapítása óta) a Hull 4 575 330 számú amerikai szabadalmat adták ki: „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”. Így született meg a 3D nyomtató.
„Chuck Hull volt az, aki az egészet elindította” – mondja Phil Kilburn, a 3T RPD 3D-nyomtató cég értékesítési menedzsere. „Abban az időben a Xeroxnak dolgozott, és azzal az ötlettel állt elő, hogy tintákat helyezzen egymásra, hogy szilárd háromdimenziós modellt hozzon létre. Ő vette át ezt a folyamatot, és megalapította az első 3D-nyomtató céget, a 3D Systems-t.’
Az elején
A Hull eredeti 3D nyomtatója ultraibolya fény segítségével kétdimenziós alakzatot rajzolt a folyékony fotopolimer tartály felületére, amely anyag ultraibolya sugárzás hatására szilárd lesz. Ez a folyamat újra és újra megtörténik, 2D rétegeket építve fel 3D objektum létrehozásához. Míg a 3D nyomtatókban használt eljárások és anyagok nagy utat tettek meg azóta, az alapok változatlanok.
„Az általunk használt gépek jelenleg lézereket használnak” – mondja Martyn Harris, a 3T RPD IT-menedzsere. „Az eljárás rendkívül okos, de alapvetően nagyon egyszerű: vegyünk egy kis port és olvasszuk fel. Így a mi gépeinkben van egy por alakú anyag, például nejlon ágy, amelyet a nyomtató kamrájában olvadáspontja alá melegítenek. A lézerek ezután kétdimenziós keresztmetszeteket rajzolnak az előállítani kívánt komponensből a por fölé, és minden alkalommal megolvasztanak egy 2D réteget. Egy réteg nyomon követése után a nyomtató ágya leesik mondjuk 120 mikronnal [0,12 mm-rel], majd egy újrabevonó kar újabb porított anyagréteget terít a tetejére, és a folyamat újra kezdődik, a lézerek nyomkövetésével. ki a következő rétegből.'
Ez a folyamat a „szinterelés” módszerén alapul, ahol magas hőmérsékleten a por részecskéiben lévő atomok egymásba diffundálnak, és szilárd darabká válnak. De nem elég csak egy lézerrel egy műanyagra irányítani, és arra számítani, hogy egy hasznos tárgy előkerül.
„Az első lépés az, hogy 3D CAD [számítógéppel segített tervezés] modellt készít arról, amit el szeretne készíteni” – mondja Harris.„Ezután egy egyedi szoftver segítségével a modelleket egy virtuális 3D-s térbe helyezi, amely tükrözi a nyomtatóágy méretét. Innentől kezdve az összes fájlt STL-ben mentheti – sztereolitográfia vagy háromszögletű fájlok –, és amikor készen vannak a fájlok, lényegében az összeset felszeletelheti, bármilyen vastagságúra is. Az összes szeletelt fájl elküldésre kerül a nyomtatót vezérlő számítógépre, majd csak meg kell nyomni a go gombot, és a nyomtató kinyomtatja. Ironikus módon ezeknek a nyomtatóknak a sok részét más nyomtatókon nyomtatják itt, így önismétlővé váltak.’
Harris az elmúlt 13 évben foglalkozott a 3T RPD-vel, és legutóbb megalapította a Race Ware-t, a kerékpár-alkatrészeket gyártó céget, amely termékeit – a műanyag Garmin tartóktól a titán láncfogókig – a 3T RPD nyomtatóival gyártja.
„Azért vágtam bele ebbe, mert SRM-et vezetek, és van egy pár Easton TT rudam” – mondja Harris. „Amikor elmentem bártartót keresni, csak valami szörnyű adapterkészletet találtam, ezért arra gondoltam, hogy elkészítem a sajátomat. Arra gondoltam, hogy ha készítek egyet nekem, akkor megnézem, hogy valaki más is szeretne ilyet, ezért felmentem egy TT fórumra, és körbekérdeztem. Ez a Jason Swann nevű fickó azt mondta, hogy szeretne egy Garmint, és ő CAD-tervező volt, ezért ő adta nekem a tervet. Mindössze három-négy hónapba telt, mire az első iterációtól eljutottunk ahhoz a verzióhoz, amelyet most árulunk.’
Amint Harris jelzi, a 3D gyártás egyik legfontosabb előrelépése a termékek előállításának és csiszolásának sebessége és egyszerűsége. Az általános folyamat a rajztáblától a kész cikkig rendkívül gyors a hagyományosabb módszerekhez képest – bár az összeállítási idő néhány órától körülbelül egy hétig tarthat, a nyomtatott termékek összetettségétől és számától függően.
„Eltérően más gyártási folyamatoktól, például a fröccsöntéstől, a 3D nyomtatásnál nincs szerszám” – mondja Harris. „Csak annyit kell tennem, hogy létrehozom a CAD-modellt, el kell végeznem néhány próbaüzemet, elvégezni néhány beállítást, majd amikor elégedett vagyok vele, elkezdek nyomtatni. Az emberek nehezen kapják fel a fejüket. Megkérdezik, hogy mennyi az átfutási idő, én pedig azt válaszolhatom, hogy „két-három hét”, miközben megszokták, hogy valaki azt mondja: „Jövő év negyednegyedéig kész lesz.”
Gyors prototípuskészítés
Természetesen a 3T RPD és a Race Ware nincs egyedül; Vannak más gyártók és iparágak, amelyek jelenleg a 3D nyomtatás előnyeit élvezik, és igyekeznek tovább feszegetni a határokat. Az Audi 3D nyomtatórobotokkal készítette el az I, Robot című filmben megjelent RSQ koncepcióautót; A Forma-1-es csapatok, mint például a Sauber, 3D nyomtatott fékcsatornákat használnak autóikon, legutóbb pedig a Dus Architects holland építészcég jelentette be, hogy egy egész ház 3D-s nyomtatását tervezi. Tehát, ha mindez megvalósítható (a házat állítólag egy hat méter magas, „KarmerMaker” névre keresztelt nyomtatóra építik fel részletekben), milyen következményekkel járhat maguknak a kerékpároknak? Dirk Van den Berk, a Ridley kerékpárok kutatási és fejlesztési részlegének vezetője azt hiszi, hogy tudja.
„Az elmúlt két-három évben kis prototípus-alkatrészeket nyomtattunk, például a Noah Fast villa fékjét” – mondja Van den Berk. „Idén [2013-ban] azonban először egy teljes keretet nyomtattunk a Dean TT kerékpárunk új verziójának fejlesztése során. Nem elég erős ahhoz, hogy lovagolni vagy stressztesztelni lehessen, de kiváló a szélcsatornában végzett aerotesztekhez és az összeszerelési tesztekhez, ahol valódi alkatrészekből építhetjük fel, hogy minden passzoljon.’
A Race Ware-hoz hasonlóan ez a 3D-nyomtatásnak ez a sajátos típusa – úgynevezett gyors prototípuskészítés – lehetővé teszi a Ridley számára, hogy gyorsan és olcsón hajtson végre változtatásokat. – A dékán csőformákkal kezdte, hogy tesztelje az alagútban. Ezután komplett kereteket építettünk. Ezeket teszteljük, értékeljük, majd visszamegyünk, és apró változtatásokat hajtunk végre. Ez a nagyszerű dolog – a kis változtatásokat nagyon gyorsan lehet végrehajtani. Csak meg kell nyomnia egy gombot, és meg kell várnia, amíg a nyomtató leállítja a nyomtatást.
„Korábban számítógépeket és szoftvereket használtál a keret létrehozásához, egészen addig a pontig, amíg zöld utat adtál, és a keretgyártók elkezdték vágni a formákat. Bár a 3D-s nyomtatás nem olcsó technológia, minden bizonnyal olcsóbb, mint kinyitni egy öntőformát, és látni, hogy valami nincs rendben a keretben, és újra kell kezdeni” – teszi hozzá Van de Berk.
Tehát, ha olyan cégek, mint például a 3T RPD, tudnak fémet nyomtatni, és a gyártók, mint például a Ridley, már teljes prototípus kerékpárvázakat nyomtatnak, miért ne tudnánk összerakni a kettőt, és elkezdeni a járható kerékpárok nyomtatását?
„Egy teljes váz esetében ez meglehetősen nehéz, mivel a vázat lovaglás közben terheljük” – magyarázza Van den Berk. „Ez egy összetett szerkezet, aminek képesnek kell lennie mindenféle feszültséggel és igénybevétellel szembenézni. A karbonnal a rétegek létrehozásának módja az, ami egy bizonyos irányban erőssé vagy merevvé teszi a keretet. A nyomtatással sokkal nehezebb szabályozni a tulajdonságait
az anyag, és ez az, ami megnehezíti a keretgyártást. A dolgok azonban minden bizonnyal ebbe az irányba mennek.’
Méretgazdaságosság
Vissza a csatorna felett Bristolban, van egy cég, amelynél a 3D nyomtatott keretek valósága egyre közelebb kerül – legalábbis részben.
A Charge Bikes az EADS-szel (European Aeronautic Defence and Space Company) együttműködve létrehozta az első, gyártásban nyomtatott kiesőket. A Ti6Al4V titánból készült kieséseket az EADS létesítményében nyomtatják ki, mielőtt átszállítják őket Tajvanra, hogy a Charge fagyasztó-cross kerékpárjaiba hegeszsék. Bár az EN-tesztek és a kimerítő nyolc hónap a Charge profi versenyzője, Chris Metcalfe alatt azt mutatták, hogy a kiesők legalább olyan sikeresek, mint CNC-s unokatestvéreik, ők és a folyamat, amelyben részt vesznek, nem korlátlanok.
A Charge munkatársa, Neil Cousins azt mondja: „Jelenleg a kinyomtatott kihagyások 20%-kal növelik a szabványos Freezer keret költségét, részben azért, mert a nyomtató mérete miatt egy-egy összeállítás legfeljebb 50 kiesést képes produkálni. Szintén korlátoz bennünket a nyomtatók száma – jelenleg csak három másik cég az Egyesült Királyságban –, valamint a használatukhoz szükséges szakértelem és készségek.”
Cousins rámutat, hogy nincs ok arra, hogy a jövőben miért ne csökkenhetne az ilyen alkatrészek gyártási költsége a gépek méretének és számának növekedésével, de egyelőre reálisan látja, hogy a technológia merre tart: mindig alkatrész-tervekkel áll elő, és most új ipari tervezőt vettek fel ide. Egy dologra érdemes észben tartani, hogy sok alkatrész olyan drága lesz, hogy vigyáznunk kell, nehogy olyasmit csináljunk, ami évekig a forgalmazóink polcain fog állni. Ennek ellenére a kerékpáripar számos nagy szereplője kapcsolatba lépett velünk és az EADS-szel, hogy több információt szerezzenek a technológiáról, és rövidebb távon könnyen láthatom, hogy a 3D nyomtatást olyan alkatrészek gyártására használják, mint a hubok, mechek. és kazetták.'
A Race Ware-s Martyn Harris egy lépéssel előbbre járhat, aki Simon Smart aerodinamikai guruval együttműködve elkészítette a titán szárat. Bár távolról sem egy kész, eladható cikk (Harris becslése szerint a jelenlegi verzió 5000 GBP-be került neki, így az egyik áthelyezése egy kicsit nehézkes lehet), csupán arra szolgál, hogy bebizonyítsa, milyen szinten áll jelenleg a 3D nyomtatás, és azt is, hogy el kell jutni oda, ahová az olyan cégek, mint a Race Ware és a Charge szeretnének eljutni.
„A 3D nyomtatás jövőjének kulcsa a folyamat megértése” – mondja Phil Kilburn, a 3T RPD munkatársa. „Rengeteg misszionáriusi munkára volt szükségünk, hogy rávegyük az embereket, hogy higgyenek a technológiában, és megtanítsuk az embereket arra, hogy mit tud és mit nem. Csak ha megértette a folyamatot, akkor tudja kihasználni azt. Még nem jutott el egészen, de ha megérkezik, a 3D nyomtatás robbanásszerűen fog működni.’
Az apró betűs rész: Hogyan működik valójában a 3D nyomtatás
- A műanyagból történő építés mellett a 3T RPD egy sor olyan gépet is kínál, amelyek fém alkatrészeket nyomtatnak, mint például a Race Ware által megrendelt titán láncfogók.
- A nyomtatókamrát 70°C-ra melegítik fel, mielőtt az 1000°C+-on működő egyetlen szálas lézer kinyomná a kétdimenziós rétegeket egy titánpor ágyban.
- A látható fényes fehér fény nem a lézer pontja, hanem egy intenzív fény, amelyet a porított titán megolvadása közben bocsát ki.
- A láncfogók 20 mikronos rétegekből épülnek fel – miután minden réteget kirajzoltak, a nyomtatóágy 0,02 mm-rel leesik, mielőtt egy friss porréteg terülne el.
- A fém nyomtatóágyak általában sokkal kisebbek, mint a műanyag nyomtatóágyak. De a 3T RPD legújabb gépei már 50%-kal magasabbak, mint elődeik.
- A nyomtatók nagyobbá tételével kapcsolatos nagy probléma a fókuszáló lézerekkel jár. A kisebb fémnyomtatók egyetlen lézert használnak, míg a nagyobb felületű műanyag nyomtatók kettőt.
- Három láncfogó nyomtatása titánból körülbelül négy órát vesz igénybe. Akár 50 darab is benyomható a nyomtatóágyba, de az összeállítási idő körülbelül 12 órára nő.
- Amikor az építés befejeződött, az alkatrészeket szinte úgy lehet eltávolítani, mint egy követ kiemelni a homokhalomból. A megmaradt por nagy részét újrahasznosítják, és visszahelyezik a következő összeállításba.
