Selfrepliserende drukkers wat voorwerpe van rekenaartekeninge skep? Nie wetenskapfiksie nie, maar 'n werklikheid wat vervaardiging sal rewolusie
Alhoewel jy dit dalk nie dink nie, was 1986 'n deurslaggewende jaar. Die deregulering van die Londense aandelebeurs het die manier waarop ons oor geld gedink het, verander; Tsjernobil het die manier waarop ons oor kernkrag gedink het, verander; Top Gun het die manier verander waarop ons oor fliekklankbane gedink het, en vir diegene wat noukeurig aandag gee, 'n Amerikaanse heer met die naam van Chuck Hull het die manier waarop ons oor vervaardiging gedink het, verander.
Daardie jaar op 11 Maart (miskien omtrent een miljoen dae sedert die tradisionele stigting van Rome), is Hull uitgereik met Amerikaanse patent nommer 4, 575, 330: 'Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography'. En so is die 3D-drukker gebore.
‘Chuck Hull was die ou wat alles begin het,’ sê Phil Kilburn, verkoopsbestuurder by 3D-drukmaatskappy 3T RPD. 'Hy het destyds vir Xerox gewerk en met die idee vorendag gekom om ink bo-op mekaar te lê om 'n soliede driedimensionele model te skep. Hy het hierdie proses geneem en die eerste 3D-drukmaatskappy, 3D Systems, begin.’
In die begin
Hull se oorspronklike 3D-drukker het 'n ultravioletlig gebruik om 'n tweedimensionele vorm oor die oppervlak van 'n vat vloeibare fotopolimeer te teken, 'n stof wat solied word wanneer dit aan ultravioletstrale blootgestel word. Hierdie proses gebeur oor en oor en bou 2D-lae op om 'n 3D-voorwerp te skep. Terwyl die prosesse en materiale wat in 3D-drukkers gebruik word sedertdien 'n lang pad gevorder het, bly die beginsels dieselfde.
‘Die masjiene wat ons nou gebruik gebruik lasers,’ sê 3T RPD se IT-bestuurder, Martyn Harris. 'Die proses is uiters slim, maar in sy basiese vorm is dit baie eenvoudig: neem 'n bietjie poeier en smelt dit. So in ons masjiene het jy’n bed van verpoeierde materiaal, byvoorbeeld nylon, wat in die drukker se kamer verhit word tot net onder sy smeltpunt. Lasers spoor dan tweedimensionele dwarssnitte van die komponent wat jy wil produseer oor die poeier, en smelt elke keer 'n 2D-laag. Sodra 'n laag nagetrek is, sak die bed van die drukker af met, kom ons sê, 120 mikron [0.12 mm], dan sprei 'n herbedekkingsarm nog 'n laag poeiermateriaal bo-oor en die proses begin weer, met die lasers wat naspoor die volgende laag uit.'
Hierdie proses is gebaseer op die metode van 'sintering', waar die atome in 'n poeier se deeltjies by hoë temperature in mekaar diffundeer en 'n soliede stuk word. Maar dit is nie genoeg om net 'n laser op die een of ander plastiek te rig en te verwag dat 'n nuttige voorwerp uitkom nie.
‘Wat jy eerste doen, is om 'n 3D CAD [rekenaargesteunde ontwerp]-model te maak van wat jy wil maak,' sê Harris.'Dan, met behulp van maatgemaakte sagteware, pak jy die modelle in 'n virtuele 3D-ruimte wat die grootte van die drukkerbed weerspieël. Van daar af stoor jy al jou lêers in STL – stereolitografie, of trianguleerde lêers – en wanneer jy die lêers gereed het, sny jy hulle basies almal in watter dikte jy ook al bou. Al daardie gesnyde lêers word na die rekenaar gestuur wat die drukker beheer en dan is dit net 'n geval van 'go' druk, en die drukker sal dit druk. Ironies genoeg word baie van die dele van hierdie drukkers op ander drukkers hier gedruk, so hulle het selfherhalend geword.’
Harris is die afgelope 13 jaar betrokke by 3T RPD en het onlangs Race Ware gestig, 'n fietskomponentmaatskappy wat sy produkte vervaardig – van plastiek Garmin-monterings tot titanium-kettingvangers – met 3T RPD se drukkers.
‘Ek het hierby betrokke geraak omdat ek 'n SRM bestuur en 'n paar Easton TT-stawe het,' sê Harris. 'Toe ek na 'n staafmontering gaan soek het, was al wat ek kon kry 'n aaklige adapterstel, so ek het gedink ek sal my eie maak. Ek het gereken dat as ek een vir my maak, ek sal kyk of iemand anders ook een wil hê, so ek het na 'n TT-forum gegaan en rondgevra. Hierdie ou genaamd Jason Swann het gesê hy wil 'n Garmin een hê, en hy was 'n CAD-ontwerper, so hy het vir my die ontwerp gegee. Dit het ons net drie of vier maande geneem om van die eerste herhaling na die weergawe te kom wat ons nou verkoop.’
Soos Harris aandui, is een van die belangrikste vooruitgang wat met 3D-vervaardiging kom, die spoed en gemak waarteen produkte vervaardig en geslyp kan word. Die algehele proses van tekenbord tot voltooide artikel is buitengewoon vinnig in vergelyking met meer tradisionele metodes – alhoewel boutye enigiets van 'n paar uur tot ongeveer 'n week kan neem, afhangend van die kompleksiteit en aantal produkte wat gedruk word.
‘Anders as ander vervaardigingsprosesse, soos spuitgiet, is daar met 3D-drukwerk geen gereedskap nie,’ sê Harris. 'Al wat ek hoef te doen is om die CAD-model te skep, 'n paar toetslopies te doen, 'n paar aanpassings te maak en dan wanneer ek tevrede is daarmee, begin druk. Mense vind dit moeilik om hul kop daaroor te kry. Hulle vra wat die aanlooptyd is en ek kan antwoord: “Twee of drie weke,” terwyl hulle gewoond is daaraan dat iemand sê: “Dit sal teen kwart vier van volgende jaar gereed wees.”’
Vinnige prototipering
Natuurlik is 3T RPD en Race Ware nie alleen nie; daar is ander vervaardigers en nywerhede wat tans die voordele van 3D-drukwerk pluk en die grense nog verder wil verskuif. Audi het 3D-drukrobotte gebruik om die RSQ-konsepmotor te skep wat in die film I, Robot verskyn het; Formule Een-spanne soos Sauber gebruik 3D-gedrukte remkanale op hul motors, en mees onlangs het die Nederlandse argitektefirma Dus Architects planne aangekondig om 'n hele huis te 3D-druk. Dus, as dit alles haalbaar is (die huis sal na bewering in dele gebou word op 'n ses meter hoë drukker genaamd die 'KarmerMaker'), wat kan die implikasies vir fietse self wees? Een man wat dink hy weet, is hoof van navorsing en ontwikkeling by Ridley-fietse, Dirk Van den Berk.
‘Ons het die afgelope twee of drie jaar klein prototipe-komponente gedruk, soos die rem vir die Noah Fast-vurk,’ sê Van den Berk. 'Maar vir die eerste keer hierdie jaar [2013] het ons 'n hele raam gedruk as deel van die ontwikkeling van ons nuwe weergawe van die Dean TT-fiets. Dit is nie sterk genoeg om gery of stres getoets te word nie, maar dit is wonderlik vir aero-toetsing in die windtonnel en samestellingtoetsing, waar ons dit met regte komponente kan opbou om te sien dat alles pas.’
Soos met Race Ware, stel hierdie spesifieke tipe 3D-drukwerk – bekend as vinnige prototipering – Ridley in staat om veranderinge vinnig en goedkoop aan te bring. 'Die Dekaan het begin met buisvorms om in die tonnel te toets. Toe het ons volledige rame gebou. Ons toets dit, evalueer, gaan dan terug en maak klein veranderinge. Dit is die wonderlike ding - klein veranderinge kan baie vinnig gemaak word. Jy hoef net 'n knoppie te druk en te wag dat die drukker ophou druk.
‘Voorheen sou jy rekenaars en sagteware gebruik om 'n raam te skep, tot op die punt waar jy die groen lig gee en die raammakers die vorms begin sny. Alhoewel 3D-drukwerk nie goedkoop tegnologie is nie, is dit beslis goedkoper as om 'n vorm oop te maak, iets fout te sien met die raam en om oor te begin, ' voeg Van de Berk by.
So, as maatskappye soos 3T RPD in metaal kan druk en vervaardigers soos Ridley druk reeds hele prototipe fietsrame, hoekom kan ons nie die twee bymekaar sit en rybare fietse begin druk nie?
‘Vir 'n volledige raam is dit nogal moeilik as gevolg van die manier waarop 'n raam gelaai word tydens ry,' verduidelik Van den Berk. 'Dit is 'n komplekse struktuur wat alle soorte spanning en spanning moet hanteer. Met koolstof is die manier waarop jy die lae skep wat 'n raam sterk of styf in 'n sekere rigting maak. Met drukwerk is dit baie moeiliker om die eienskappe vante beheer
die materiaal en dit is wat raamproduksie moeilik maak. Dinge gaan egter beslis in daardie rigting.’
Skaalekonomie
Terug oor die Kanaal in Bristol, is daar een maatskappy vir wie die werklikheid van 3D-gedrukte rame al hoe nader kom – ten minste gedeeltelik.
Charge Bikes het saam met EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) gewerk om die eerste produksie-gedrukte dropouts te skep. Gemaak van Ti6Al4V-titanium, word die uitvalle by EADS se fasiliteit gedruk voordat dit na Taiwan gestuur word om in Charge se vrieskas-kruisfietse gesweis te word. Alhoewel EN-toetsing en 'n uitmergelende agt maande onder Charge-pro-ruiter Chris Metcalfe getoon het dat die uitvalle net so suksesvol is soos hul CNC-neefs, is hulle, en die proses waarvan hulle deel is, nie sonder beperkings nie.
Charge se Neil Cousins sê: 'Tans voeg die gedrukte uitvalle 20% by die koste van 'n standaard vrieskas-raam, deels omdat elke bouvorm slegs 'n maksimum van 50 uitvalle kan produseer as gevolg van die grootte van die drukker. Ons word ook beperk deur die aantal drukkers daar buite – tans het net drie ander maatskappye in die VK dit – en die kundigheid en vaardighede wat nodig is om dit te gebruik.’
Neefs wys daarop dat daar geen rede is waarom die koste van die vervaardiging van sulke onderdele nie in die toekoms kan daal namate masjiengroottes en -getalle toeneem nie, maar vir eers is hy realisties oor waarheen die tegnologie op pad is: 'Ons is kom altyd met planne vir onderdele vorendag en het pas 'n nuwe industriële ontwerper hier aangestel. Een ding om te onthou is dat baie van die onderdele so duur sal wees dat ons versigtig moet wees om nie iets te doen wat vir jare op ons verspreiders se rakke sal sit nie. Dit gesê, baie van die groot spelers in die fietsbedryf was in kontak met ons en EADS om meer inligting oor die tegnologie te kry, en op die korter termyn kan ek maklik sien dat 3D-drukwerk gebruik word vir die maak van komponente soos hubs, mechs en kassette.'
Race Ware se Martyn Harris kan heel moontlik een stap voor wees, nadat hy saam met aërodinamiese ghoeroe Simon Smart saamgewerk het om 'n titaniumstam te maak. Alhoewel dit nog lank nie 'n voltooide, verkoopbare item is nie (Harris skat dat die huidige weergawe hom £5 000 gekos het, so om een te verskuif kan 'n bietjie moeilik wees), dien dit net om te bewys op watter vlak 3D-druk tans is, en ook wat dit gaan neem om te kom waar maatskappye soos Race Ware en Charge graag wil gaan.
‘Die sleutel tot 3D-drukwerk se toekoms is om die proses te verstaan,’ sê Phil Kilburn van 3T RPD. 'Dit het baie sendingwerk van ons kant geverg om mense te laat glo in die tegnologie, om mense op te voed oor wat dit kan en nie kan doen nie. Eers sodra jy die proses verstaan het, kan jy dit dan benut. Dit het nog nie heeltemal daar gekom nie, maar wanneer dit gebeur, gaan 3D-drukwerk ontplof.’
Die fynskrif: Hoe 3D-drukwerk eintlik werk
- Sowel as om in plastiek te bou, het 3T RPD 'n reeks masjiene wat metaalonderdele druk, soos hierdie titanium-kettingvangers in opdrag van Race Ware.
- Die drukkerkamer word verhit tot 70°C, voordat 'n enkele vesellaser, wat teen 1 000°C+ werk, die tweedimensionele lae in 'n bed titaniumpoeier naspeur.
- Die helder wit lig wat jy kan sien, is nie die punt van die laser nie, maar eerder 'n intense lig wat uitgestraal word soos die verpoeierde titanium gesmelt word.
- Die kettingvangers is in 20-mikron-lae gebou – nadat elke laag uitgespoor is, val die drukkerbed met 0.02 mm voordat 'n vars laag poeier uitgesprei word.
- Metaaldrukkerbeddens is geneig om baie kleiner as plastiekdrukkerbeddens te wees. Maar die nuutste van 3T RPD se masjiene bou reeds 50% hoër as hul voorgangers.
- Die groot probleem om drukkers groter te maak kom met fokuslasers. Die kleiner metaaldrukkers gebruik 'n enkele laser, terwyl die groter area plastiekdrukkers twee moet gebruik.
- Om drie kettingvangers in titanium te druk neem ongeveer vier uur. Tot 50 kan in die drukkerbed gedruk word, maar die boutyd sal tot ongeveer 12 uur toeneem.
- Wanneer die bouwerk klaar is, kan die dele verwyder word amper soos om 'n klip uit 'n hoop sand te haal. Baie van die oorblywende poeier word herwin en in die volgende bouwerk teruggesit.
