Самовъзпроизвеждащи се принтери, създаващи обекти от компютърни чертежи? Не научна фантастика, а реалност, която ще революционизира производството
Въпреки че може би не го мислите, 1986 г. беше ключова година. Дерегулацията на Лондонската фондова борса промени начина, по който мислехме за парите; Чернобил промени начина, по който мислехме за ядрената енергия; Top Gun промени начина, по който мислехме за филмовите саундтраци, а за тези, които обръщат внимание, един американски джентълмен на име Чък Хъл промени начина, по който мислехме за производството.
Онази година на 11 март (може би приблизително един милион дни от традиционното основаване на Рим), на Хъл е издаден американски патент номер 4, 575, 330: „Апарат за производство на триизмерни обекти чрез стереолитография“. И така се роди 3D принтерът.
„Чък Хъл беше човекът, който започна всичко“, казва Фил Килбърн, мениджър продажби в компанията за 3D печат 3T RPD. „Той работеше за Xerox по това време и му хрумна идеята да се поставят мастила едно върху друго, за да се създаде солиден триизмерен модел. Той предприе този процес и стартира първата компания за 3D печат, 3D Systems.’
В началото
Оригиналният 3D принтер на Хъл използва ултравиолетова светлина, за да начертае двуизмерна форма върху повърхността на вана с течен фотополимер, вещество, което става твърдо, когато е изложено на ултравиолетови лъчи. Този процес се случва отново и отново, изграждайки 2D слоеве за създаване на 3D обект. Докато процесите и материалите, използвани в 3D принтерите, са изминали дълъг път оттогава, основите остават същите.
„Машините, които използваме сега, използват лазери“, казва ИТ мениджърът на 3T RPD Мартин Харис. „Процесът е изключително умен, но в основната си форма е много прост: вземете малко прах и го разтопете. Така че в нашите машини имате слой от прахообразен материал, например найлон, който се нагрява в камерата на принтера малко под точката му на топене. След това лазерите проследяват двуизмерни напречни сечения на компонента, който искате да произведете върху праха, като всеки път разтопявате 2D слой. След като слой бъде проследен, леглото на принтера пада надолу с, да кажем, 120 микрона [0,12 mm], след което рамо за повторно нанасяне на покритие разстила друг слой прахообразен материал върху горната част и процесът започва отново, като лазерите проследяват от следващия слой.'
Този процес се основава на метода на „синтероване“, при който при високи температури атомите в частиците на праха дифундират един в друг и се превръщат в твърдо парче. Но не е достатъчно просто да насочите лазер към пластмаса и да очаквате да се появи полезен предмет.
„Това, което правите първо, е да направите 3D CAD [компютърно подпомогнат дизайн] модел на това, което искате да направите“, казва Харис.„След това, като използвате софтуер по поръчка, опаковате моделите във виртуално 3D пространство, което отразява размера на леглото на принтера. Оттам записвате всичките си файлове в STL – стереолитография или триангулирани файлове – и когато имате готови файлове, на практика ги нарязвате всички на каквато и дебелина да изграждате. Всички тези нарязани файлове се изпращат до компютъра, който управлява принтера и след това просто трябва да натиснете go и принтерът ще го отпечата. По ирония на съдбата, много от частите на тези принтери се отпечатват на други принтери тук, така че са станали самоповтарящи се.’
Harris работи с 3T RPD през последните 13 години и наскоро основа Race Ware, компания за велосипедни компоненти, която произвежда своите продукти – от пластмасови стойки Garmin до титаниеви хващачи на вериги – с помощта на принтерите на 3T RPD.
„Влязох в това, защото управлявам SRM и имам чифт барове Easton TT“, казва Харис. „Когато отидох да търся стойка, всичко, което можах да намеря, беше някакъв ужасен адаптерен комплект, така че реших да си направя сам. Реших, че ако правя такъв за себе си, ще видя дали някой друг също иска такъв, така че отидох във форум на TT и разпитах. Този човек на име Джейсън Суон каза, че иска Garmin и той беше CAD дизайнер, така че ми даде дизайна. Отне ни само три или четири месеца, за да стигнем от първата итерация до версията, която сега продаваме.“
Както посочва Харис, един от ключовите постижения, който идва с 3D производството, е скоростта и лекотата, с която продуктите могат да бъдат произведени и усъвършенствани. Цялостният процес от чертожната дъска до завършения артикул е изключително бърз в сравнение с по-традиционните методи – въпреки че времето за изграждане може да отнеме от няколко часа до около седмица, в зависимост от сложността и броя на продуктите, които се отпечатват.
„За разлика от други производствени процеси, като например леене под налягане, при 3D принтирането няма инструменти“, казва Харис. „Всичко, което трябва да направя, е да създам CAD модела, да направя няколко теста, да направя няколко настройки и след това, когато съм доволен от него, да започна да печатам. Хората трудно разбират това. Те питат какъв е срокът за изпълнение и мога да отговоря „Две или три седмици“, докато те са свикнали някой да казва: „Ще бъде готово до четвъртото тримесечие на следващата година.“
Бързо прототипиране
Разбира се, 3T RPD и Race Ware не са сами; има други производители и индустрии, които в момента се възползват от предимствата на 3D принтирането и искат да прокарат границите още повече. Audi използва роботи за 3D печат, за да създаде концептуалния автомобил RSQ, който се появи във филма I, Robot; Отбори от Формула 1 като Sauber използват 3D отпечатани спирачни канали на колите си, а наскоро холандската архитектурна фирма Dus Architects обяви планове за 3D отпечатване на цяла къща. И така, ако всичко това е осъществимо (къщата ще бъде построена на части на шестметров принтер, наречен „KarmerMaker“), какви биха могли да бъдат последиците за самите велосипеди? Един човек, който си мисли, че знае, е ръководителят на изследователската и развойна дейност в Ridley bikes, Дирк Ван ден Берк.
„Отпечатваме малки прототипни компоненти през последните две или три години, като спирачката за вилицата Noah Fast“, казва Ван ден Берк. „Но за първи път тази година [2013] отпечатахме цяла рамка като част от разработката на нашата нова версия на велосипеда Dean TT. Не е достатъчно здрав, за да бъде каран или тестван под напрежение, но е страхотен за аеро тестове във аеродинамичния тунел и тестване на сглобяване, където можем да го изградим с реални компоненти, за да видим, че всичко пасва.“
Както при Race Ware, този конкретен тип 3D печат – известен като бързо прототипиране – позволява на Ridley да прави промени бързо и евтино. „Дийнът започна с тръбни форми за тестване в тунела. След това изградихме цели рамки. Тестваме ги, оценяваме, след което се връщаме и правим малки промени. Това е страхотното – малките промени могат да бъдат направени много бързо. Просто трябва да натиснете бутон и да изчакате принтерът да спре да печата.
‘Преди използвахте компютри и софтуер, за да създадете рамка, до момента, в който дадете зелена светлина и производителите на рамки започнат да режат калъпите. Въпреки че 3D печатът не е евтина технология, той със сигурност е по-евтин от това да отворите матрица, да видите нещо нередно с рамката и да трябва да започнете отначало, добавя Ван де Берк.
И така, ако компании като 3T RPD могат да печатат в метал и производители като Ridley вече печатат цели прототипи на рамки за велосипеди, защо не можем да съберем двете заедно и да започнем да печатаме велосипеди за каране?
„За пълна рамка е доста трудно поради начина, по който рамката се натоварва по време на каране“, обяснява Ван ден Берк. „Това е сложна структура, която трябва да може да се справя с всички видове напрежения и напрежения. С въглерода начинът, по който създавате слоевете, е това, което прави рамката здрава или твърда в определена посока. При печатането е много по-трудно да се контролират свойствата на
материалът и това прави производството на рамки трудно. Нещата обаче със сигурност вървят в тази посока.“
Икономии от мащаба
Отвъд Ламанша в Бристол има една компания, за която реалността на 3D отпечатаните рамки става все по-близо – поне отчасти.
Charge Bikes работи с EADS (Европейска аеронавтична отбранителна и космическа компания), за да създаде първите производствено отпечатани капси. Изработени от титан Ti6Al4V, капаците се отпечатват в съоръжението на EADS, преди да бъдат изпратени до Тайван, за да бъдат заварени във фризерните крос мотоциклети на Charge. Въпреки това, докато EN тестването и изтощителните осем месеца под ръководството на професионалиста на Charge Крис Меткалф показаха, че отпадналите са също толкова успешни, колкото и техните братовчеди с ЦПУ, те и процесът, от който са част, не са без ограничения.
Нийл Казънс от Charge казва: „В момента отпечатаните пропуски добавят 20% към цената на стандартна рамка за фризер, отчасти защото всяка компилация може да произведе максимум 50 пропуска поради размера на принтера. Освен това сме ограничени от броя на принтерите на пазара – в момента само три други компании в Обединеното кралство разполагат с тях – както и експертните познания и умения, необходими за използването им.“
Cousins посочва, че няма причина в бъдеще разходите за производство на такива части да не могат да намалеят с увеличаването на размерите и броя на машините, но за момента той е реалист за това накъде се е насочила технологията: „Ние сме винаги измисля планове за части и току-що наеха нов индустриален дизайнер тук. Едно нещо, което трябва да запомните е, че много от частите ще бъдат толкова скъпи, че трябва да внимаваме да не направим нещо, което ще стои на рафтовете на нашите дистрибутори с години. Въпреки това, много от големите играчи в индустрията за велосипеди се свързаха с нас и EADS, за да получат повече информация за технологията, и в по-краткосрочен план мога лесно да видя 3D принтирането да се използва за направата на компоненти като главини, механизми и касети.'
Мартин Харис от Race Ware може би е една крачка напред, след като си сътрудничи с аеродинамичния гуру Саймън Смарт, за да направи титаниево стебло. Въпреки че далеч не е завършен артикул, който може да се продава (Харис изчислява, че текущата версия му е струвала £5 000, така че смяната на една може да е малко трудна), той просто служи да докаже на какво ниво е 3D печатът в момента и също какво ще отнеме, за да стигнете до мястото, където компании като Race Ware и Charge биха искали да стигнат.
„Ключът към бъдещето на 3D принтирането е разбирането на процеса“, казва Фил Килбърн от 3T RPD. „Необходима е много мисионерска работа от наша страна, за да накараме хората да повярват в технологията, да образоваме хората какво може и какво не може да прави. Само след като сте разбрали процеса, можете да се възползвате от него. Все още не е стигнало до там, но когато стане, 3D печатът ще експлодира.“
Дребният шрифт: как всъщност работи 3D печатът
- Освен изграждането от пластмаса, 3T RPD разполага със серия от машини, които отпечатват метални части, като тези титаниеви уловители на вериги, поръчани от Race Ware.
- Камерата на принтера се нагрява до 70°C, преди единичен влакнест лазер, работещ при 1000°C+, да очертае двуизмерните слоеве в слой от титанов прах.
- Ярката бяла светлина, която можете да видите, не е точката на лазера, а по-скоро интензивна светлина, която се излъчва, когато прахообразният титан се разтопи.
- Уловителите на веригата са изградени в слоеве от 20 микрона – след като всеки слой бъде проследен, леглото на принтера пада с 0,02 mm, преди да се разпръсне нов слой прах.
- Металните принтерни легла обикновено са много по-малки от пластмасовите принтерни легла. Но най-новите машини на 3T RPD вече са с 50% по-високи от своите предшественици.
- Големият проблем с увеличаването на принтерите идва с фокусиращите лазери. По-малките метални принтери използват един лазер, докато пластмасовите принтери с по-голяма площ трябва да използват два.
- Отпечатването на три хващача на вериги от титан отнема около четири часа. До 50 могат да бъдат вкарани в леглото на принтера, но времето за изграждане ще се увеличи до около 12 часа.
- Когато изграждането приключи, частите могат да бъдат отстранени почти като изваждане на камък от купчина пясък. Голяма част от остатъчния прах се рециклира и се връща обратно в следващата конструкция.
