Αυτοαναπαραγόμενοι εκτυπωτές που δημιουργούν αντικείμενα από σχέδια υπολογιστή; Όχι επιστημονική φαντασία, αλλά μια πραγματικότητα που θα φέρει επανάσταση στην κατασκευή
Αν και μπορεί να μην το πιστεύετε, το 1986 ήταν μια κομβική χρονιά. Η απορρύθμιση του Χρηματιστηρίου του Λονδίνου άλλαξε τον τρόπο που σκεφτόμασταν για το χρήμα. Το Τσερνόμπιλ άλλαξε τον τρόπο που σκεφτήκαμε για την πυρηνική ενέργεια. Το Top Gun άλλαξε τον τρόπο που σκεφτόμασταν για τα soundtrack ταινιών και, για όσους προσέχουν πολύ, ένας Αμερικανός κύριος με το όνομα Τσακ Χαλ άλλαξε τον τρόπο που σκεφτόμασταν για την κατασκευή.
Εκείνο το έτος, στις 11 Μαρτίου (ίσως περίπου ένα εκατομμύριο ημέρες από την παραδοσιακή ίδρυση της Ρώμης), το Hull εκδόθηκε με το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας των ΗΠΑ με αριθμό 4, 575, 330: «Συσκευή για την παραγωγή τρισδιάστατων αντικειμένων με στερεολιθογραφία». Και έτσι γεννήθηκε ο τρισδιάστατος εκτυπωτής.
«Ο Τσακ Χαλ ήταν ο τύπος που τα ξεκίνησε όλα», λέει ο Phil Kilburn, διευθυντής πωλήσεων στην εταιρεία 3D εκτύπωσης 3T RPD. «Εργαζόταν για τη Xerox εκείνη την εποχή και είχε την ιδέα να τοποθετήσει μελάνια το ένα πάνω στο άλλο για να δημιουργήσει ένα συμπαγές τρισδιάστατο μοντέλο. Ακολούθησε αυτή τη διαδικασία και ξεκίνησε την πρώτη εταιρεία 3D εκτύπωσης, την 3D Systems.'
Στην αρχή
Ο αρχικός τρισδιάστατος εκτυπωτής της Hull χρησιμοποίησε ένα υπεριώδες φως για να σχεδιάσει ένα δισδιάστατο σχήμα πάνω από την επιφάνεια μιας δεξαμενής υγρού φωτοπολυμερούς, μιας ουσίας που γίνεται στερεή όταν εκτίθεται σε υπεριώδεις ακτίνες. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει ξανά και ξανά, δημιουργώντας 2D επίπεδα για τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου αντικειμένου. Ενώ οι διαδικασίες και τα υλικά που χρησιμοποιούνται στους τρισδιάστατους εκτυπωτές έχουν προχωρήσει πολύ από τότε, τα βασικά στοιχεία παραμένουν τα ίδια.
«Τα μηχανήματα που χρησιμοποιούμε τώρα χρησιμοποιούν λέιζερ», λέει ο διευθυντής IT της 3T RPD, Μάρτιν Χάρις. «Η διαδικασία είναι εξαιρετικά έξυπνη, αλλά στη βασική της μορφή είναι πολύ απλή: πάρτε λίγη σκόνη και λιώστε τη. Έτσι, στα μηχανήματα μας έχετε ένα στρώμα από υλικό σε σκόνη, για παράδειγμα νάιλον, το οποίο θερμαίνεται στο θάλαμο του εκτυπωτή μέχρι ακριβώς κάτω από το σημείο τήξης του. Στη συνέχεια, τα λέιζερ ανιχνεύουν δισδιάστατες διατομές του συστατικού που θέλετε να παράγετε πάνω από τη σκόνη, λιώνοντας ένα στρώμα 2D κάθε φορά. Μόλις εντοπιστεί ένα στρώμα, το στρώμα του εκτυπωτή πέφτει, ας πούμε, κατά 120 μικρά [0,12 χιλιοστά], στη συνέχεια ένας βραχίονας επαναβαφής απλώνει ένα άλλο στρώμα κονιοποιημένου υλικού πάνω από το επάνω μέρος και η διαδικασία ξεκινά ξανά, με την ανίχνευση λέιζερ έξω το επόμενο επίπεδο.'
Αυτή η διαδικασία βασίζεται στη μέθοδο της «πυροσυσσωμάτωσης», όπου σε υψηλές θερμοκρασίες τα άτομα στα σωματίδια μιας σκόνης διαχέονται μεταξύ τους και γίνονται ένα στερεό κομμάτι. Αλλά δεν αρκεί απλώς να στοχεύσετε ένα λέιζερ σε κάποιο πλαστικό και να περιμένετε να εμφανιστεί ένα χρήσιμο αντικείμενο.
«Αυτό που κάνετε πρώτα είναι να φτιάξετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο CAD [σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή] αυτού που θέλετε να φτιάξετε», λέει ο Χάρις. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας λογισμικό κατά παραγγελία, συσκευάζετε τα μοντέλα σε έναν εικονικό τρισδιάστατο χώρο που αντικατοπτρίζει το μέγεθος του κρεβατιού του εκτυπωτή. Από εκεί αποθηκεύετε όλα τα αρχεία σας σε STL - στερεολιθογραφία ή τριγωνικά αρχεία - και όταν έχετε έτοιμα τα αρχεία, βασικά τα κόβετε όλα σε οποιοδήποτε πάχος φτιάχνετε. Όλα αυτά τα κομμένα αρχεία αποστέλλονται στον υπολογιστή που ελέγχει τον εκτυπωτή και, στη συνέχεια, απλώς πατάτε το κουμπί go και ο εκτυπωτής θα το εκτυπώσει. Κατά ειρωνικό τρόπο, πολλά από τα μέρη αυτών των εκτυπωτών εκτυπώνονται σε άλλους εκτυπωτές εδώ, επομένως επαναλαμβάνονται από μόνοι τους.'
Ο Χάρις ασχολείται με το 3T RPD τα τελευταία 13 χρόνια και, πιο πρόσφατα, ίδρυσε την Race Ware, μια εταιρεία εξαρτημάτων ποδηλάτων που κατασκευάζει τα προϊόντα της – από πλαστικές βάσεις Garmin έως αλυσίδες από τιτάνιο – χρησιμοποιώντας εκτυπωτές 3T RPD.
«Μπήκα σε αυτό επειδή έχω ένα SRM και έχω ένα ζευγάρι Easton TT bars», λέει ο Harris. «Όταν πήγα να ψάξω για μια βάση, το μόνο που βρήκα ήταν ένα φρικτό κιτ προσαρμογέα, οπότε σκέφτηκα να φτιάξω το δικό μου. Σκέφτηκα ότι αν έφτιαχνα ένα για μένα, θα έβλεπα αν κάποιος άλλος ήθελε κι αυτός, έτσι πήγα σε ένα φόρουμ του ΤΤ και ρώτησα. Αυτός ο τύπος που ονομάζεται Jason Swann είπε ότι ήθελε ένα Garmin και ήταν σχεδιαστής CAD, οπότε μου έδωσε το σχέδιο. Μας πήρε μόνο τρεις ή τέσσερις μήνες για να φτάσουμε από την πρώτη επανάληψη στην έκδοση που πουλάμε τώρα.»
Όπως υποδεικνύει ο Harris, μία από τις βασικές προόδους που έρχεται με την κατασκευή 3D είναι η ταχύτητα και η ευκολία με την οποία μπορούν να παραχθούν και να τελειοποιηθούν τα προϊόντα. Η συνολική διαδικασία από τον πίνακα σχεδίασης έως το τελικό προϊόν είναι εξαιρετικά γρήγορη σε σύγκριση με πιο παραδοσιακές μεθόδους – αν και ο χρόνος κατασκευής μπορεί να διαρκέσει από μερικές ώρες έως περίπου μια εβδομάδα, ανάλογα με την πολυπλοκότητα και τον αριθμό των προϊόντων που εκτυπώνονται.
«Σε αντίθεση με άλλες διαδικασίες παραγωγής, όπως η χύτευση με έγχυση, με την τρισδιάστατη εκτύπωση δεν υπάρχουν εργαλεία», λέει ο Χάρις. «Το μόνο που χρειάζεται να κάνω είναι να δημιουργήσω το μοντέλο CAD, να κάνω μερικές δοκιμαστικές εκτελέσεις, να κάνω μερικές τροποποιήσεις και, στη συνέχεια, όταν είμαι ευχαριστημένος με αυτό, να ξεκινήσω την εκτύπωση. Οι άνθρωποι δυσκολεύονται να το ξεπεράσουν. Ρωτούν ποιος είναι ο χρόνος παράδοσης και μπορώ να απαντήσω, "Δύο ή τρεις εβδομάδες", ενώ έχουν συνηθίσει να λέει κάποιος, "Θα είναι έτοιμο μέχρι το τέταρτο τρίμηνο του επόμενου έτους."
Rapid prototyping
Φυσικά το 3T RPD και η Race Ware δεν είναι μόνα. Υπάρχουν άλλοι κατασκευαστές και βιομηχανίες που αυτή τη στιγμή καρπώνονται τα οφέλη της τρισδιάστατης εκτύπωσης και προσπαθούν να ξεπεράσουν τα όρια. Η Audi χρησιμοποίησε ρομπότ τρισδιάστατης εκτύπωσης για να δημιουργήσει το πρωτότυπο αυτοκίνητο RSQ που εμφανίστηκε στην ταινία I, Robot. Ομάδες της Formula 1 όπως η Sauber χρησιμοποιούν τρισδιάστατους εκτυπωμένους αγωγούς φρένων στα αυτοκίνητά τους και, πιο πρόσφατα, η ολλανδική εταιρεία αρχιτέκτονας Dus Architects ανακοίνωσε σχέδια για τρισδιάστατη εκτύπωση ενός ολόκληρου σπιτιού. Έτσι, εάν όλα αυτά είναι εφικτά (το σπίτι φέρεται να χτιστεί τμηματικά σε έναν εκτυπωτή ύψους έξι μέτρων που ονομάζεται «KarmerMaker»), ποιες μπορεί να είναι οι επιπτώσεις για τα ίδια τα ποδήλατα; Ένας άνθρωπος που πιστεύει ότι ξέρει είναι ο επικεφαλής έρευνας και ανάπτυξης της Ridley bikes, ο Dirk Van den Berk.
«Εκτυπώνουμε μικρά πρωτότυπα εξαρτήματα τα τελευταία δύο ή τρία χρόνια, όπως το φρένο για το πιρούνι Noah Fast», λέει ο Van den Berk. «Αλλά για πρώτη φορά φέτος [2013] εκτυπώσαμε ένα ολόκληρο πλαίσιο ως μέρος της ανάπτυξης της νέας μας έκδοσης της μοτοσυκλέτας Dean TT. Δεν είναι αρκετά ισχυρό για ιππασία ή δοκιμές ακραίων καταστάσεων, αλλά είναι εξαιρετικό για δοκιμές αερομεταφορών στην αεροδυναμική σήραγγα και δοκιμές συναρμολόγησης, όπου μπορούμε να το δημιουργήσουμε με πραγματικά εξαρτήματα για να δούμε ότι όλα ταιριάζουν.'.
Όπως και με το Race Ware, αυτός ο συγκεκριμένος τύπος τρισδιάστατης εκτύπωσης – γνωστός ως ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων – επιτρέπει στον Ridley να κάνει αλλαγές γρήγορα και φθηνά. «Ο Dean ξεκίνησε με σχήματα σωλήνων για να δοκιμάσει στο τούνελ. Στη συνέχεια κατασκευάσαμε ολοκληρωμένα κουφώματα. Τα δοκιμάζουμε, τα αξιολογούμε και μετά επιστρέφουμε και κάνουμε μικρές αλλαγές. Αυτό είναι το σπουδαίο – μικρές αλλαγές μπορούν να γίνουν πολύ γρήγορα. Απλώς πρέπει να πατήσετε ένα κουμπί και να περιμένετε να σταματήσει η εκτύπωση ο εκτυπωτής.
«Προηγουμένως θα χρησιμοποιούσατε υπολογιστές και λογισμικό για να δημιουργήσετε ένα πλαίσιο, μέχρι το σημείο που δίνατε το πράσινο φως και οι κατασκευαστές πλαισίων αρχίζουν να κόβουν τα καλούπια. Αν και η τρισδιάστατη εκτύπωση δεν είναι φθηνή τεχνολογία, είναι σίγουρα φθηνότερη από το να ανοίξεις ένα καλούπι, να δεις κάτι λάθος με το πλαίσιο και να χρειαστεί να ξεκινήσεις από την αρχή», προσθέτει ο Van de Berk.
Λοιπόν, εάν εταιρείες όπως η 3T RPD μπορούν να εκτυπώνουν σε μέταλλο και κατασκευαστές όπως η Ridley εκτυπώνουν ήδη ολόκληρα πρωτότυπα κουφώματα ποδηλάτων, γιατί δεν μπορούμε να τα ενώσουμε και να αρχίσουμε να εκτυπώνουμε ποδήλατα που μπορούν να οδηγηθούν;
«Για ένα πλήρες πλαίσιο είναι αρκετά δύσκολο λόγω του τρόπου με τον οποίο φορτώνεται ένα πλαίσιο κατά την οδήγηση», εξηγεί ο Van den Berk. «Είναι μια πολύπλοκη δομή που πρέπει να μπορεί να αντιμετωπίσει κάθε είδους καταπονήσεις και καταπονήσεις. Με τον άνθρακα, ο τρόπος που δημιουργείτε τα στρώματα είναι αυτός που κάνει ένα πλαίσιο ισχυρό ή άκαμπτο προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Με την εκτύπωση είναι πολύ πιο δύσκολο να ελέγξετε τις ιδιότητες του
το υλικό και αυτό είναι που κάνει την παραγωγή πλαισίων δύσκολη. Ωστόσο, τα πράγματα πάνε σίγουρα προς αυτή την κατεύθυνση.»
Οικονομίες κλίμακας
Πίσω στο κανάλι στο Μπρίστολ, υπάρχει μια εταιρεία για την οποία η πραγματικότητα των τρισδιάστατων πλαισίων είναι όλο και πιο κοντά – τουλάχιστον εν μέρει.
Η Charge Bikes συνεργάζεται με την EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) για τη δημιουργία των πρώτων εκτυπωμένων από την παραγωγή εγκαταλείψεων. Κατασκευασμένα από τιτάνιο Ti6Al4V, τα φύλλα εκτυπώνονται στις εγκαταστάσεις της EADS πριν αποσταλούν στην Ταϊβάν για να συγκολληθούν στα ποδήλατα καταψύκτη της Charge. Ωστόσο, ενώ οι δοκιμές EN και οι εξαντλητικοί οκτώ μήνες υπό τον επαγγελματία του Charge, Chris Metcalfe, έδειξαν ότι οι εγκαταλείψεις ήταν εξίσου επιτυχημένες με τους ξαδέρφους τους CNC, αυτές και η διαδικασία στην οποία συμμετέχουν δεν είναι χωρίς περιορισμούς.
Ο Neil Cousins της Charge λέει: «Προς το παρόν, οι εκτυπωμένες εκτυπώσεις προσθέτουν 20% στο κόστος ενός τυπικού πλαισίου Freezer, εν μέρει επειδή κάθε κατασκευή μπορεί να παράγει το πολύ 50 εγκαταλείψεις λόγω του μεγέθους του εκτυπωτή. Περιοριζόμαστε επίσης με τον αριθμό των εκτυπωτών εκεί έξω – αυτή τη στιγμή μόνο τρεις άλλες εταιρείες στο Ηνωμένο Βασίλειο τους διαθέτουν – και την τεχνογνωσία και τις δεξιότητες που απαιτούνται για τη χρήση τους.»
Ο Ο Cousins επισημαίνει ότι δεν υπάρχει λόγος γιατί στο μέλλον το κόστος παραγωγής τέτοιων ανταλλακτικών δεν μπορεί να μειωθεί καθώς τα μεγέθη και οι αριθμοί των μηχανών αυξάνονται, αλλά προς το παρόν είναι ρεαλιστής σχετικά με το πού κατευθύνεται η τεχνολογία: «Είμαστε σκέφτομαι πάντα σχέδια για ανταλλακτικά και μόλις προσέλαβα έναν νέο βιομηχανικό σχεδιαστή εδώ. Ένα πράγμα που πρέπει να θυμάστε είναι ότι πολλά από τα εξαρτήματα θα είναι τόσο ακριβά που πρέπει να προσέχουμε να μην κάνουμε κάτι που θα μείνει στα ράφια των διανομέων μας για χρόνια. Τούτου λεχθέντος, πολλοί από τους μεγάλους παίκτες στη βιομηχανία ποδηλάτων έχουν έρθει σε επαφή μαζί μας και την EADS για να λάβουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την τεχνολογία, και βραχυπρόθεσμα μπορώ εύκολα να δω ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση χρησιμοποιείται για την κατασκευή εξαρτημάτων όπως hubs, μηχανήματα και κασέτες.'
Ο Martyn Harris της Race Ware μπορεί κάλλιστα να είναι ένα βήμα μπροστά, αφού συνεργάστηκε με τον αεροδυναμικό γκουρού Simon Smart για να φτιάξει ένα στέλεχος τιτανίου. Αν και απέχει πολύ από το να είναι ένα ολοκληρωμένο, εμπορεύσιμο αντικείμενο (ο Χάρις εκτιμά ότι η τρέχουσα έκδοση του κόστισε 5.000 £, επομένως η αλλαγή μιας θα μπορούσε να είναι λίγο δύσκολη), χρησιμεύει απλώς για να αποδείξει σε ποιο επίπεδο βρίσκεται αυτή τη στιγμή η τρισδιάστατη εκτύπωση και επίσης σε τι θα χρειαστεί για να φτάσετε εκεί που θα ήθελαν να πάνε εταιρείες όπως η Race Ware και η Charge.
«Το κλειδί για το μέλλον της 3D εκτύπωσης είναι η κατανόηση της διαδικασίας», λέει ο Phil Kilburn του 3T RPD. «Χρειάστηκε πολλή ιεραποστολική δουλειά από μέρους μας για να πείσουμε τους ανθρώπους να πιστέψουν στην τεχνολογία, να εκπαιδεύσουμε τους ανθρώπους για το τι μπορεί και τι δεν μπορεί να κάνει. Μόνο αφού κατανοήσετε τη διαδικασία, μπορείτε να την εκμεταλλευτείτε. Δεν έχει φτάσει ακόμα εκεί, αλλά όταν φτάσει, η τρισδιάστατη εκτύπωση θα εκραγεί.»
Τα ψιλά γράμματα: Πώς λειτουργεί η τρισδιάστατη εκτύπωση
- Εκτός από την κατασκευή σε πλαστικό, η 3T RPD διαθέτει μια σειρά μηχανημάτων που εκτυπώνουν μεταλλικά μέρη, όπως αυτές οι αλυσίδες από τιτάνιο που παραγγέλθηκαν από την Race Ware.
- Ο θάλαμος του εκτυπωτή θερμαίνεται στους 70°C, προτού ένα μεμονωμένο λέιζερ ινών, που λειτουργεί στους 1.000°C+, ανιχνεύσει τα δύο διαστάσεων στρώματα σε ένα στρώμα σκόνης τιτανίου.
- Το φωτεινό λευκό φως που μπορείτε να δείτε δεν είναι η κουκκίδα του λέιζερ, αλλά μάλλον ένα έντονο φως που εκπέμπεται καθώς το κονιοποιημένο τιτάνιο γίνεται λιωμένο.
- Οι αλυσίδες συγκράτησης είναι κατασκευασμένοι σε στρώματα 20 μικρών – αφού εντοπιστεί κάθε στρώμα, το κρεβάτι του εκτυπωτή πέφτει κατά 0,02 mm πριν απλωθεί ένα νέο στρώμα σκόνης.
- Τα μεταλλικά κρεβάτια εκτυπωτών τείνουν να είναι πολύ μικρότερα από τα πλαστικά κρεβάτια εκτυπωτών. Αλλά οι πιο πρόσφατες μηχανές της 3T RPD κατασκευάζονται ήδη 50% υψηλότερα από τους προκατόχους τους.
- Το μεγάλο πρόβλημα με την αύξηση των εκτυπωτών σχετίζεται με τα λέιζερ εστίασης. Οι μικρότεροι μεταλλικοί εκτυπωτές χρησιμοποιούν ένα μόνο λέιζερ, ενώ οι πλαστικοί εκτυπωτές μεγαλύτερης επιφάνειας πρέπει να χρησιμοποιούν δύο.
- Η εκτύπωση τριών αλυσοσυλλεκτών σε τιτάνιο διαρκεί περίπου τέσσερις ώρες. Μπορούν να συμπιεστούν έως και 50 στο κρεβάτι του εκτυπωτή, αλλά ο χρόνος κατασκευής θα αυξηθεί σε περίπου 12 ώρες.
- Όταν τελειώσει η κατασκευή, τα μέρη μπορούν να αφαιρεθούν σχεδόν σαν να ανασύρετε μια πέτρα από ένα σωρό άμμου. Μεγάλο μέρος της σκόνης που έχει απομείνει ανακυκλώνεται και τοποθετείται ξανά στην επόμενη κατασκευή.
