Isepaljuvad printerid, mis loovad objekte arvutijooniste põhjal? Mitte ulme, vaid reaalsus, mis peaks tootmist revolutsiooniliselt muutma
Kuigi te ei pruugi seda arvata, oli 1986. aasta pöördeline aasta. Londoni börsi dereguleerimine muutis meie suhtumist rahasse; Tšernobõli muutis meie suhtumist tuumaenergiasse; Top Gun muutis seda, kuidas me mõtlesime filmide heliribadest, ja neile, kes on tähelepanelikud, muutis Ameerika härrasmees nimega Chuck Hull seda, kuidas me mõtlesime tootmisest.
Sel aastal 11. märtsil (võib-olla umbes miljon päeva pärast Rooma asutamist) väljastati Hull USA patendiga nr 4 575 330: "Stereolitograafia abil kolmemõõtmeliste objektide tootmise seade". Ja nii sündiski 3D-printer.
„Chuck Hull oli see, kes selle kõik alustas,“ütleb Phil Kilburn, 3D-printimise ettevõtte 3T RPD müügijuht. „Ta töötas sel ajal Xeroxi heaks ja tuli välja ideega panna tindid üksteise peale, et luua kindel kolmemõõtmeline mudel. Ta võttis selle protsessi kasutusele ja asutas esimese 3D-printimise ettevõtte 3D Systems.’
Alguses
Hulli algne 3D-printer kasutas ultraviolettvalgust, et joonistada kahemõõtmelise kujundi pinnale vedelast fotopolümeerist – ainest, mis ultraviolettkiirte mõjul muutub tahkeks. See protsess kordub ikka ja jälle, luues 3D-objekti loomiseks 2D-kihte. Kuigi 3D-printerites kasutatavad protsessid ja materjalid on sellest ajast saati palju edasi arenenud, on põhialused jäänud samaks.
„Masinad, mida me kasutame, kasutavad nüüd lasereid,” ütleb 3T RPD IT-juht Martyn Harris. "Protsess on äärmiselt nutikas, kuid oma põhivormis on see väga lihtne: võtke pulbrit ja sulatage see. Seega on meie masinates pulbrilisest materjalist, näiteks nailonist, kiht, mis kuumutatakse printeri kambris veidi alla selle sulamistemperatuuri. Seejärel jälgivad laserid pulbri kahemõõtmelisi ristlõikeid komponendist, mida soovite toota, sulatades iga kord 2D-kihi. Kui kiht on jälitatud, langeb printeri põhi alla, oletame, et 120 mikronit [0,12 mm], seejärel katmishoob laotab selle peale veel ühe kihi pulbrilist materjali ja protsess algab uuesti, jälgides lasereid. järgmise kihi välja.'
See protsess põhineb "paagutamise" meetodil, kus kõrgetel temperatuuridel hajuvad pulbri osakeste aatomid üksteise sisse ja muutuvad tahkeks tükiks. Kuid sellest ei piisa, kui suunate laseriga plastikule ja oodake kasuliku objekti ilmumist.
„Kõigepe alt teete 3D CAD [arvutipõhise disaini] mudeli sellest, mida soovite teha, " ütleb Harris.„Seejärel pakendate mudelid spetsiaalse tarkvara abil virtuaalsesse 3D-ruumi, mis peegeldab printeri voodi suurust. Se alt salvestate kõik oma failid STL-vormingusse – stereolitograafiasse või trianguleeritud failidesse – ja kui olete failid valmis saanud, jagate need kõik mis tahes paksusteks, mida te ehitate. Kõik need viilutatud failid saadetakse arvutisse, mis juhib printerit ja seejärel tuleb lihts alt vajutada ja printer prindib selle. Irooniline, et paljud nende printerite osad prinditakse siin teistel printeritel, nii et need on muutunud isekorduvateks.’
Harris on olnud seotud 3T RPD-ga viimased 13 aastat ja viimati asutanud jalgrattakomponentide ettevõtte Race Ware, mis toodab oma tooteid – alates plastmassist Garmini kinnitustest kuni titaanist ketipüüduriteni – kasutades 3T RPD printereid.
„Ma sattusin sellesse, kuna kasutan SRM-i ja mul on paar Eastoni TT-kangi,“ütleb Harris. Kui ma latikinnitust otsima läksin, leidsin ainult kohutava adapterikomplekti, nii et mõtlesin, et teen ise. Arvasin, et kui ma selle endale valmistan, siis vaatan, kas keegi teine soovib ka seda, nii et läksin TT foorumisse ja uurisin ringi. See tüüp nimega Jason Swann ütles, et tahab Garminit, ja ta oli CAD-disainer, nii et ta andis mulle selle kujunduse. Meil kulus vaid kolm või neli kuud, et jõuda esimesest iteratsioonist versioonini, mida praegu müüme.’
Nagu Harris märgib, on 3D-tootmise üks peamisi edusamme toodete valmistamise ja lihvimise kiirus ja lihtsus. Üldine protsess joonestuslauast valmis artiklini on traditsioonilisemate meetoditega võrreldes erakordselt kiire – kuigi koostamisajad võivad olenev alt prinditavate toodete keerukusest ja arvust võtta aega mõnest tunnist umbes nädalani.
„Erinev alt muudest tootmisprotsessidest, nagu survevalu, pole 3D-printimisel tööriistu,“ütleb Harris. "Ma pean vaid looma CAD-mudeli, tegema paar katset, tegema mõned näpunäited ja kui olen sellega rahul, alustage printimist. Inimestel on raske sellest aru saada. Nad küsivad, mis on tarneaeg ja ma võin vastata: "Kaks või kolm nädalat", samas kui nad on harjunud, et keegi ütleb: "See on valmis järgmise aasta neljandaks kvartaliks."
Kiire prototüüpimine
Muidugi pole 3T RPD ja Race Ware üksi; on ka teisi tootjaid ja tööstusharusid, kes lõikavad praegu 3D-printimisest kasu ja soovivad piire veelgi kaugemale nihutada. Audi kasutas 3D-printimise roboteid, et luua RSQ ideeauto, mis ilmus filmis I, Robot; Vormel-1 meeskonnad, nagu Sauber, kasutavad oma autodel 3D-prinditud piduritorusid ja viimati teatas Hollandi arhitektuuribüroo Dus Architects, et kavatseb 3D-printida terve maja. Niisiis, kui see kõik on teostatav (maja ehitatakse väidetav alt osadena kuue meetri kõrgusele KarmerMakeri nimelisele printerile), millised võivad olla tagajärjed jalgratastele endile? Üks mees, kes arvab end teadvat, on Ridley jalgrataste uurimis- ja arendusjuht Dirk Van den Berk.
„Oleme viimased kaks või kolm aastat trükkinud väikeseid prototüüpkomponente, näiteks Noah Fasti kahvli piduri,” ütleb Van den Berk. "Kuid esimest korda sel aastal [2013] oleme oma uue Dean TT jalgratta versiooni arendamise osana trükkinud terve raami. See pole piisav alt tugev, et sellega sõita või koormustesti teha, kuid see sobib suurepäraselt tuuletunnelis ja koostutestimiseks, kus saame selle ehitada päris komponentidega, et näha, kas kõik sobib.’
Nagu ka Race Ware'i puhul, võimaldab see konkreetne 3D-printimise tüüp – tuntud kui kiire prototüüpimine – Ridley'l teha muudatusi kiiresti ja odav alt. Dekaan alustas tunnelis katsetamiseks torukujudega. Seejärel ehitasime terviklikud raamid. Testime neid, hindame, siis läheme tagasi ja teeme väikesed muudatused. See on suurepärane – väikseid muudatusi saab teha väga kiiresti. Peate lihts alt nuppu vajutama ja ootama, kuni printer printimise lõpetab.
‘Varem kasutasite raami loomiseks arvuteid ja tarkvara, kuni andsite rohelise tule ja raami valmistajad hakkavad vorme lõikama. Kuigi 3D-printimine ei ole odav tehnoloogia, on see kindlasti odavam kui vormi avamine, raamil midagi valesti nähes ja otsast peale alustamist,“lisab Van de Berk.
Niisiis, kui sellised ettevõtted nagu 3T RPD saavad printida metallile ja tootjad nagu Ridley prindivad juba terveid rattaraame prototüüpe, siis miks ei võiks me need kaks kokku panna ja hakata trükkima sõidukõlbulikke jalgratast?
„Täieliku raami jaoks on see üsna keeruline, kuna raam on sõidu ajal koormatud,“selgitab Van den Berk. „See on keeruline struktuur, mis peab suutma toime tulla igasuguste pingete ja pingetega. Süsiniku puhul muudab kihtide loomise viis raami kindlas suunas tugevaks või jäigaks. Printimisel onatribuute palju keerulisem juhtida
materjal ja see teebki raami tootmise keeruliseks. Kuid asjad liiguvad kindlasti selles suunas.’
Mastaabisääst
Tagasi kanali kohal Bristolis on üks ettevõte, kelle jaoks on 3D-prinditud raamide tegelikkus üha lähemal – vähem alt osaliselt.
Charge Bikes on teinud koostööd EADS-iga (European Aeronautic Defence and Space Company), et luua esimesed tootmisprinditud väljalangemised. Valmistatud Ti6Al4V titaanist, väljalangemised prinditakse EADS-i tehases, enne kui need saadetakse Taiwanisse, et need keevitatakse Charge'i külmutusrataste külge. Ent kuigi EN-testid ja kurnav kaheksa kuud Charge'i pro-ratturi Chris Metcalfe'i käe all on näidanud, et väljalangejad on sama edukad kui nende CNC-ga nõod, ei ole neil ja protsessil, milles nad osalevad, piiranguteta.
Charge'i Neil Cousins ütleb: Praegu suurendavad prinditud väljalangemised tavalise sügavkülmiku raami maksumusele 20%, osaliselt seetõttu, et iga komplekt võib printeri suuruse tõttu toota ainult kuni 50 väljalangemist. Meid piirab ka printerite arv – praegu on need veel vaid kolmel Ühendkuningriigi ettevõttel – ning nende kasutamiseks vajalikud teadmised ja oskused.’
Cousins juhib tähelepanu sellele, et pole põhjust, miks tulevikus ei võiks selliste osade tootmiskulud masinate suuruse ja arvu suurenedes langeda, kuid praegu on ta tehnoloogia arengu suhtes realistlik: „Me oleme mõtleb alati välja osade plaanid ja on just siia palganud uue tööstusdisaineri. Üks asi, mida meeles pidada, on see, et paljud osad on nii kallid, et peame olema ettevaatlikud, et mitte teha midagi, mis seisab meie edasimüüjate riiulitel aastaid. Sellegipoolest on paljud jalgrattatööstuse suured tegijad meie ja EADS-iga ühendust võtnud, et saada rohkem teavet tehnoloogia kohta, ja lühemas perspektiivis näen hõlpsasti 3D-printimist, mida kasutatakse komponentide, näiteks jaoturite, mehhanismide valmistamiseks. ja kassetid.'
Race Ware'i Martyn Harris võib olla sammu võrra ees, tehes koostööd aerodünaamika guru Simon Smartiga titaanist varre valmistamisel. Kuigi see pole kaugeltki valmis müüdav toode (Harrise hinnangul on praegune versioon talle maksma läinud 5000 naela, nii et selle muutmine võib olla veidi keeruline), aitab see lihts alt tõestada, millisel tasemel 3D-printimine praegu on ja mis on see võtab aega, et jõuda sinna, kuhu sellised ettevõtted nagu Race Ware ja Charge jõuda tahaksid.
„3D-printimise tuleviku võti on protsessi mõistmine,“ütleb 3T RPD Phil Kilburn. Meil on vaja palju misjonitööd, et panna inimesi tehnoloogiasse uskuma ja õpetada inimesi selle kohta, mida see suudab ja mida mitte. Alles siis, kui olete protsessist aru saanud, saate seda kasutada. See pole veel päris kohale jõudnud, kuid kui see jõuab, hakkab 3D-printimine plahvatuslikult minema.’
Peen kirjas: kuidas 3D-printimine tegelikult töötab
- Lisaks plastist ehitamisele on 3T RPD-l ka rida masinaid, mis prindivad metallosi, nagu need titaanist ketipüüdjad, mille tellis Race Ware.
- Printerikambrit kuumutatakse temperatuurini 70 °C, enne kui üks kiudlaser, mis töötab temperatuuril 1000 °C+, jälgib titaanipulbrikihis kahemõõtmelisi kihte.
- Erevalge valgus, mida näete, ei ole laseri täpp, vaid pigem intensiivne valgus, mis kiirgab pulbrilise titaani sulamisel.
- Ketipüüdurid on ehitatud 20-mikroniliste kihtidena – pärast iga kihi väljajoonistamist langeb printeri alus 0,02 mm võrra, enne kui laiali laotatakse värske pulbrikiht.
- Metallist printeri voodid kipuvad olema palju väiksemad kui plastikust printeri voodid. Kuid uusimad 3T RPD masinad on juba 50% kõrgemad kui nende eelkäijad.
- Suur probleem printerite suuremaks muutmisel tuleneb fokusseerivatest laseritest. Väiksemad metallprinterid kasutavad ühte laserit, suurema pindalaga plastprinterid aga kahte.
- Kolme titaanist ketihoidja printimine võtab aega umbes neli tundi. Printeri voodisse saab suruda kuni 50, kuid ehitusaeg pikeneb umbes 12 tunnini.
- Kui ehitus on valmis, saab osi eemaldada peaaegu nagu kivi liivahunnikust välja toomist. Suur osa järelejäänud pulbrist võetakse ringlusse ja pannakse tagasi järgmisesse konstruktsiooni.
