Itsekopioivat tulostimet, jotka luovat objekteja tietokonepiirustuksista? Ei tieteiskirjallisuutta, vaan todellisuutta, joka mullistaa tuotannon
Vaikka et ehkä uskokaan, 1986 oli ratkaiseva vuosi. Lontoon pörssin sääntelyn purkaminen muutti tapaamme ajatella rahasta; Tshernobyl muutti tapaamme ajatella ydinvoimasta; Top Gun muutti tapaamme ajatella elokuvien ääniraitoja, ja niille, jotka kiinnittävät erityistä huomiota, amerikkalainen herrasmies nimeltä Chuck Hull muutti tapaamme ajatella valmistusta.
Sinä vuonna 11. maaliskuuta (ehkä suunnilleen miljoona päivää Rooman perinteisestä perustamisesta) Hullille myönnettiin US-patentti numero 4 575 330: "Laitteet kolmiulotteisten esineiden tuotantoon stereolitografialla". Ja niin 3D-tulostin syntyi.
’Chuck Hull oli se kaveri, joka aloitti kaiken, sanoo Phil Kilburn, myyntipäällikkö 3D-tulostusyhtiöstä 3T RPD. Hän työskenteli tuolloin Xeroxilla ja keksi ajatuksen asettaa musteet päällekkäin kiinteän kolmiulotteisen mallin luomiseksi. Hän otti tämän prosessin ja perusti ensimmäisen 3D-tulostusyrityksen, 3D Systemsin.’
Alussa
Hullin alkuperäinen 3D-tulostin käytti ultraviolettivaloa kaksiulotteisen muodon piirtämiseen nestemäisen fotopolymeerin, aineen, joka muuttuu kiinteäksi altistuessaan ultraviolettisäteille, pinnalle. Tämä prosessi toistuu yhä uudelleen ja uudelleen rakentaen 2D-tasoja 3D-objektin luomiseksi. Vaikka 3D-tulostimissa käytetyt prosessit ja materiaalit ovat edenneet pitkälle sen jälkeen, alkeet ovat säilyneet samoina.
’Käyttämämme koneet käyttävät nyt lasereita, sanoo 3T RPD:n IT-päällikkö Martyn Harris. "Prosessi on erittäin näppärä, mutta perusmuodossaan se on hyvin yksinkertainen: ota jauhetta ja sulata se. Joten koneissamme on jauhemaista materiaalia, esimerkiksi nailonia, oleva pedi, joka kuumennetaan tulostimen kammiossa juuri sen sulamispisteen alapuolelle. Laserit jäljittävät sitten jauheen päälle kaksiulotteisia poikkileikkauksia komponentista, jonka haluat tuottaa, sulattaen joka kerta 2D-kerroksen. Kun kerros on jäljitetty, tulostimen alusta putoaa esimerkiksi 120 mikronia [0,12 mm], sitten päällystysvarsi levittää toisen kerroksen jauhemaista materiaalia päälle ja prosessi alkaa alusta laserien jäljittämisessä. ulos seuraava kerros.'
Tämä prosessi perustuu "sintrausmenetelmään", jossa jauheen hiukkasten atomit diffundoituvat korkeissa lämpötiloissa toisiinsa ja muodostuvat kiinteäksi kappaleeksi. Mutta ei riitä, että kohdistat laserilla johonkin muoviin ja odotat hyödyllisen esineen tulevan esiin.
’Teet ensin 3D CAD [tietokoneavusteisen suunnittelun] mallin siitä, mitä haluat tehdä, Harris sanoo.”Sitten pakatat mallit tilaustyönä tehdyn ohjelmiston avulla virtuaaliseen 3D-tilaan, joka heijastaa tulostinalustan kokoa. Sieltä tallennat kaikki tiedostosi STL-muotoon – stereolitografiaan tai kolmiomittaisiin tiedostoihin – ja kun olet saanut tiedostot valmiiksi, leikkaat ne periaatteessa kaikki rakentamasi paksuisiksi. Kaikki nuo viipaloidut tiedostot lähetetään tietokoneeseen, joka ohjaa tulostinta, ja sitten on vain tapaus painaa go, ja tulostin tulostaa sen. Ironista kyllä, monet näiden tulostimien osista tulostetaan muilla täällä olevilla tulostimilla, joten niistä on tullut itseään toistuvia.’
Harris on ollut mukana 3T RPD:ssä viimeiset 13 vuotta, ja viimeksi hän on perustanut Race Waren, polkupyöräkomponentteja valmistavan yrityksen, joka valmistaa tuotteitaan – muovisista Garmin-kiinnikkeistä titaaniketjunsieppareihin – käyttämällä 3T RPD:n tulostimia.
'Pääsin tähän, koska minulla on SRM ja minulla on pari Easton TT -tankoa, Harris sanoo. Kun menin etsimään baaritelinettä, löysin vain kauhean sovitinsarjan, joten ajattelin tehdä oman. Ajattelin, että jos tekisin sellaisen itselleni, katsoisin, haluaisiko joku muukin sellaisen, joten menin TT-foorumiin ja kyselin. Tämä kaveri nimeltä Jason Swann sanoi haluavansa Garminin, ja hän oli CAD-suunnittelija, joten hän antoi suunnittelun minulle. Kesti vain kolme tai neljä kuukautta päästä ensimmäisestä iteraatiosta nyt myymään versioon.’
Kuten Harris osoittaa, yksi 3D-valmistuksen tärkeimmistä edistysaskeleista on nopeus ja helppous, jolla tuotteita voidaan valmistaa ja hioa. Kokonaisprosessi piirustuspöydästä valmiiseen artikkeliin on poikkeuksellisen nopea verrattuna perinteisempiin menetelmiin – vaikka rakennusajat voivat kestää muutamasta tunnista noin viikkoon riippuen painettavien tuotteiden monimutkaisuudesta ja määrästä.
’Toisin kuin muut valmistusprosessit, kuten ruiskuvalu, 3D-tulostuksessa ei ole työkaluja, Harris sanoo. "Minun tarvitsee vain luoda CAD-malli, tehdä muutama testiajo, tehdä pari hienosäätöä ja sitten kun olen tyytyväinen, alkaa tulostaa. Ihmisten on vaikea saada päänsä kiinni siitä. He kysyvät, mikä on toimitusaika, ja voin vastata: "Kaksi tai kolme viikkoa", kun taas he ovat tottuneet siihen, että joku sanoo: "Se on valmis ensi vuoden neljännekseen mennessä."
Nopea prototyyppien valmistus
Tietenkään 3T RPD ja Race Ware eivät ole yksin; Muut valmistajat ja teollisuudenalat nauttivat tällä hetkellä 3D-tulostuksen eduista ja haluavat siirtää rajoja entisestään. Audi käytti 3D-tulostusrobotteja luodakseen RSQ-konseptiauton, joka esiintyi elokuvassa I, Robot; Formula 1 -tallit, kuten Sauber, käyttävät 3D-tulostettuja jarrukanavia autoissaan, ja viimeksi hollantilainen arkkitehtitoimisto Dus Architects ilmoitti suunnitelmistaan tulostaa koko talo 3D-tulosta. Joten jos tämä kaikki on mahdollista (talo väitetään rakennettavan osissa kuusi metriä korkealle tulostimelle nimeltä "KarmerMaker", mitä seurauksia voi olla itse pyörille? Yksi mies, joka luulee tietävänsä, on Ridley-pyörien tutkimus- ja kehitysjohtaja Dirk Van den Berk.
’Olemme painaneet pieniä prototyyppikomponentteja viimeiset kaksi tai kolme vuotta, kuten Noah Fast -haarukan jarrua, Van den Berk sanoo. "Mutta ensimmäistä kertaa tänä vuonna [2013] olemme painaneet koko rungon osana Dean TT -pyörän uuden version kehitystä. Se ei ole tarpeeksi vahva ajettavaksi tai rasitustestattavaksi, mutta se on loistava aerotesteihin tuulitunnelissa ja kokoonpanotestaukseen, jossa voimme rakentaa sen oikeilla komponenteilla nähdäksemme, että kaikki sopii.’
Kuten Race Ware, tämä erityinen 3D-tulostus – joka tunnetaan nimellä nopea prototyyppi – antaa Ridleylle mahdollisuuden tehdä muutoksia nopeasti ja edullisesti. Dean aloitti putkien muodoilla testattavaksi tunnelissa. Sitten rakensimme täydelliset kehykset. Testaamme näitä, arvioimme, palaamme sitten takaisin ja teemme pieniä muutoksia. Se on hieno asia – pieniä muutoksia voidaan tehdä hyvin nopeasti. Sinun tarvitsee vain painaa painiketta ja odottaa, että tulostin lopettaa tulostamisen.
’Aiemmin kehyksen luomiseen käytit tietokoneita ja ohjelmistoja, kunnes annat vihreää valoa ja kehyksen valmistajat alkavat leikata muotteja. Vaikka 3D-tulostus ei ole halpaa tekniikkaa, se on varmasti halvempaa kuin muotin avaaminen, kehyksessä olevan virheen näkeminen ja aloittaminen alusta, Van de Berk lisää.
Joten, jos yritykset, kuten 3T RPD, voivat tulostaa metallia ja valmistajat, kuten Ridley, tulostavat jo kokonaisia prototyyppipyörien runkoja, miksi emme voisi yhdistää näitä kahta ja alkaa tulostaa ajettavia pyöriä?
’Täydellinen runko on melko vaikeaa, koska kehys kuormitetaan ajon aikana, Van den Berk selittää. Se on monimutkainen rakenne, jonka on kyettävä käsittelemään kaikenlaisia rasituksia ja rasituksia. Hiilen avulla kerrosten luontitapa tekee rungosta vahvan tai jäykän tietyssä suunnassa. Tulostamalla on paljon vaikeampaa hallitaominaisuuksia
materiaali ja se tekee kehystuotannosta vaikeaa. Asiat ovat kuitenkin varmasti menossa siihen suuntaan.’
Skaavaetuja
Takaisin kanavan yli Bristolissa on yksi yritys, jolle 3D-tulostettujen kehysten todellisuus tulee yhä lähemmäksi – ainakin osittain.
Charge Bikes on työskennellyt EADS:n (European Aeronautic Defence and Space Company) kanssa luodakseen ensimmäiset tuotantopainotetut jätteet. Ti6Al4V-titaanista valmistetut palat tulostetaan EADS:n tehtaalla ennen kuin ne lähetetään Taiwaniin hitsattavaksi Chargen pakasteristipyöriin. Vaikka EN-testaukset ja uuvuttavat kahdeksan kuukautta Charge-ammattilaisen Chris Metcalfen alaisuudessa ovat osoittaneet, että keskeyttäneet ovat yhtä menestyviä kuin heidän CNC-serkkunsa, he ja prosessi, johon he ovat osallisia, eivät ole rajoituksia.
Chargen Neil Cousins sanoo: Tällä hetkellä painetut hyllyt lisäävät 20 % tavallisen pakastinkehyksen kustannuksiin osittain siksi, että jokainen kokoonpano voi tuottaa enintään 50 pudotusta tulostimen koon vuoksi. Meitä rajoittaa myös tulostimien määrä – tällä hetkellä vain kolmella muulla yrityksellä Isossa-Britanniassa on niitä – sekä niiden käyttöön tarvittava asiantuntemus ja taidot.’
Cousins huomauttaa, ettei ole mitään syytä, miksi tällaisten osien valmistuskustannukset eivät tulevaisuudessa voisi laskea koneiden koon ja lukumäärän kasvaessa, mutta toistaiseksi hän on realistinen sen suhteen, mihin tekniikka on menossa: Olemme tekee aina varaosia koskevia suunnitelmia ja on juuri palkannut tänne uuden teollisen suunnittelijan. Yksi asia on muistaa, että monet osat ovat niin kalliita, että meidän on oltava varovaisia, ettemme tee mitään, mikä istuu jälleenmyyjiemme hyllyillä vuosia. Monet pyöräteollisuuden suuret toimijat ovat kuitenkin olleet yhteydessä meihin ja EADS:ään saadakseen lisätietoja tekniikasta, ja lyhyellä aikavälillä voin helposti nähdä, että 3D-tulostusta käytetään komponenttien, kuten napojen, mechien valmistukseen. ja kasetit.'
Race Waren Martyn Harris saattaa hyvinkin olla askeleen edellä, koska hän on tehnyt yhteistyötä aerodynaamisen gurun Simon Smartin kanssa titaanivarren valmistuksessa. Vaikka se ei suinkaan ole valmis, myyntikelpoinen esine (Harris arvioi, että nykyinen versio on maksanut hänelle 5 000 puntaa, joten sen vaihtaminen voi olla hieman vaikeaa), se vain todistaa, millä tasolla 3D-tulostus on tällä hetkellä ja mitä se kestää päästäkseen sinne, minne yritykset, kuten Race Ware ja Charge, haluaisivat mennä.
’Avain 3D-tulostuksen tulevaisuuteen on prosessin ymmärtäminen, sanoo 3T RPD:n Phil Kilburn. Meidän on tehtävä paljon lähetystyötä saadakseen ihmiset uskomaan teknologiaan ja kouluttamaan ihmisiä siitä, mitä se voi tehdä ja mitä ei. Vasta kun olet ymmärtänyt prosessin, voit hyödyntää sitä. Se ei ole vielä päässyt perille, mutta kun se tulee, 3D-tulostus räjähtää.’
Pieni teksti: Kuinka 3D-tulostus todella toimii
- Muovista rakentamisen lisäksi 3T RPD:ssä on sarja koneita, jotka tulostavat metalliosia, kuten nämä Race Waren tilaamat titaaniset ketjusiepparit.
- Tulostinkammio kuumennetaan 70 °C:seen, ennen kuin yksi kuitulaser, joka toimii yli 1 000 °C:ssa, jäljittää kaksiulotteiset kerrokset titaanijauhekerroksesta.
- Näkemäsi kirkas valkoinen valo ei ole laserin piste, vaan voimakas valo, joka säteilee, kun jauhemainen titaani sulaa.
- Ketjunsiepparit on rakennettu 20 mikronin kerroksiin – jokaisen kerroksen jäljittämisen jälkeen tulostimen alusta putoaa 0,02 mm, ennen kuin uusi jauhekerros levitetään.
- Metalliset tulostinsängyt ovat yleensä paljon pienempiä kuin muoviset tulostinsängyt. Mutta uusimmat 3T RPD:n koneista ovat jo 50 % korkeammat kuin edeltäjänsä.
- Suuri ongelma tulostimien suurentamisessa liittyy tarkentaviin lasereihin. Pienemmät metallitulostimet käyttävät yhtä laseria, kun taas suuremman alueen muovitulostimissa on käytettävä kahta.
- Kolmen ketjusiepparin tulostaminen titaanista kestää noin neljä tuntia. Tulostinalustaan voidaan puristaa jopa 50 kappaletta, mutta rakennusaika pitenee noin 12 tuntiin.
- Kun rakentaminen on valmis, osat voidaan irrottaa melkein kuin noutaisi kiven hiekkakasasta. Suuri osa jäljelle jääneestä jauheesta kierrätetään ja laitetaan takaisin seuraavaan rakennukseen.
