Pašreplicējošie printeri, kas veido objektus no datora rasējumiem? Nevis zinātniskā fantastika, bet realitāte, kas radīs revolūciju ražošanā
Lai gan jūs to nedomājat, 1986. gads bija izšķirošs gads. Londonas Fondu biržas ierobežojumu atcelšana mainīja veidu, kā mēs domājām par naudu; Černobiļa mainīja mūsu domāšanu par kodolenerģiju; Top Gun mainīja veidu, kā mēs domājām par filmu skaņu celiņiem, un tiem, kas pievērš lielu uzmanību, kāds amerikāņu džentlmenis, vārdā Čaks Hulls, mainīja mūsu domas par ražošanu.
Tā gada 11. martā (iespējams, aptuveni miljons dienu kopš Romas tradicionālās dibināšanas) korpusam tika izdots ASV patents Nr. 4 575 330: “Aparāts trīsdimensiju objektu ražošanai ar stereolitogrāfijas palīdzību”. Un tā radās 3D printeris.
‘Čaks Hols bija puisis, kurš visu aizsāka,” saka Fils Kilbērns, 3D drukas uzņēmuma 3T RPD pārdošanas vadītājs. “Viņš tajā laikā strādāja uzņēmumā Xerox un nāca klajā ar ideju likt tintes vienu virs otras, lai izveidotu stabilu trīsdimensiju modeli. Viņš uzsāka šo procesu un izveidoja pirmo 3D drukas uzņēmumu 3D Systems.’
Sākumā
Hull oriģinālais 3D printeris izmantoja ultravioleto gaismu, lai uzzīmētu divdimensiju formu virs šķidrā fotopolimēra tvertnes virsmas. Viela, kas kļūst cieta, ja tiek pakļauta ultravioletajiem stariem. Šis process notiek atkal un atkal, veidojot 2D slāņus, lai izveidotu 3D objektu. Lai gan 3D printeros izmantotie procesi un materiāli kopš tā laika ir gājuši tālu uz priekšu, pamati paliek nemainīgi.
„Iekārtās, kuras mēs izmantojam, tagad tiek izmantoti lāzeri,” saka 3T RPD IT vadītājs Mārtins Heriss. "Process ir ārkārtīgi gudrs, bet tā pamatformā tas ir ļoti vienkāršs: paņemiet pulveri un izkausējiet to. Tātad mūsu iekārtās jums ir pulverveida materiāla, piemēram, neilona, pamatne, kas printera kamerā tiek uzkarsēta tieši zem kušanas temperatūras. Pēc tam lāzeri izseko tā komponenta divdimensiju šķērsgriezumus, kurus vēlaties ražot virs pulvera, katru reizi izkausējot 2D slāni. Kad slānis ir izsekots, printera pamatne nokrīt uz leju, teiksim, par 120 mikroniem [0,12 mm], pēc tam atkārtotas pārklāšanas svira izklāj vēl vienu pulverveida materiāla slāni virs tā, un process sākas no jauna ar lāzeru izsekošanu. ārā nākamo slāni.'
Šis process ir balstīts uz “saķepināšanas” metodi, kad augstā temperatūrā pulvera daļiņu atomi izkliedējas viens otrā un kļūst par cietu gabalu. Taču nepietiek tikai ar lāzeru pavērst pret kādu plastmasu un gaidīt, ka parādīsies kāds noderīgs objekts.
‘Vispirms ir jāizveido 3D CAD [datorizēta dizaina] modelis tam, ko vēlaties izveidot,” saka Heriss.“Pēc tam, izmantojot pasūtījuma programmatūru, jūs iesaiņojat modeļus virtuālā 3D telpā, kas atspoguļo printera gultas izmēru. No turienes jūs saglabājat visus savus failus STL formātā - stereolitogrāfijā vai trīsstūrveida failos - un, kad faili ir sagatavoti, jūs tos visus sadalāt jebkurā biezumā. Visi šie sagrieztie faili tiek nosūtīti uz datoru, kas kontrolē printeri, un tad vienkārši jānospiež Go, un printeris tos izdrukās. Ironiski, ka daudzas šo printeru daļas tiek drukātas uz citiem šeit esošajiem printeriem, tāpēc tās ir kļuvušas pašas atkārtojošas.’
Hariss ir bijis saistīts ar 3T RPD pēdējos 13 gadus, un pavisam nesen viņš ir nodibinājis Race Ware - velosipēdu komponentu uzņēmumu, kas ražo savus produktus - no plastmasas Garmin stiprinājumiem līdz titāna ķēžu uztvērējiem, izmantojot 3T RPD printerus.
‘Es to iesaistījos, jo vadu SRM un man ir pāris Easton TT stieņu,» saka Heriss. “Kad es devos meklēt stieņa stiprinājumu, viss, ko es varēju atrast, bija šausmīgs adapteru komplekts, tāpēc es domāju, ka uztaisīšu pats. Es sapratu, ka, ja es tādu gatavoju, es redzētu, vai kāds cits arī to vēlas, tāpēc es iegāju TT forumā un pajautāju apkārt. Šis puisis, vārdā Džeisons Svans, teica, ka vēlas Garmin, un viņš bija CAD dizainers, tāpēc viņš man iedeva dizainu. Mums bija nepieciešami tikai trīs vai četri mēneši, lai no pirmās iterācijas nonāktu līdz versijai, ko tagad pārdodam.’
Kā norāda Hariss, viens no galvenajiem 3D ražošanas sasniegumiem ir produktu ražošanas un slīpēšanas ātrums un vieglums. Kopējais process no rasēšanas dēļa līdz gatavam rakstam ir ārkārtīgi ātrs salīdzinājumā ar tradicionālākām metodēm - lai gan izveides laiks var ilgt no dažām stundām līdz apmēram nedēļai atkarībā no drukāšanas sarežģītības un skaita.
Atšķirībā no citiem ražošanas procesiem, piemēram, iesmidzināšanas formēšanas, 3D drukāšanai nav nekādu instrumentu, saka Heriss. Viss, kas man jādara, ir izveidot CAD modeli, veikt dažas pārbaudes, veikt dažus pielāgojumus un tad, kad esmu apmierināts, sāciet drukāt. Cilvēkiem ir grūti saķert galvu. Viņi jautā, kāds ir izpildes laiks, un es varu atbildēt: "Divas vai trīs nedēļas", turpretim viņi ir pieraduši, ka kāds saka: "Tas būs gatavs nākamā gada ceturtajā ceturksnī."
Ātra prototipu izstrāde
Protams, 3T RPD un Race Ware nav vienīgie; ir arī citi ražotāji un nozares, kas pašlaik izmanto 3D drukāšanas priekšrocības un vēlas paplašināt robežas. Audi izmantoja 3D drukas robotus, lai izveidotu RSQ konceptauto, kas parādījās filmā I, Robot; Pirmās formulas komandas, piemēram, Sauber, savās automašīnās izmanto 3D drukātus bremžu kanālus, un pavisam nesen Nīderlandes arhitektu firma Dus Architects paziņoja par plāniem 3D drukāt visu māju. Tātad, ja tas viss ir iespējams (māja it kā tiks būvēta pa daļām uz sešus metrus augsta printera ar nosaukumu “KarmerMaker”), kāda varētu būt ietekme uz pašiem velosipēdiem? Viens vīrietis, kurš domā, ka zina, ir Ridley bikes pētniecības un attīstības vadītājs Dirks Van den Berks.
„Mēs pēdējos divus vai trīs gadus esam drukājuši mazus prototipu komponentus, piemēram, Noah Fast dakšas bremzes,” stāsta Van den Berks. “Taču pirmo reizi šogad [2013. gadā] mēs esam izdrukājuši veselu rāmi mūsu jaunās Dean TT velosipēda versijas izstrādes ietvaros. Tas nav pietiekami izturīgs, lai ar to varētu braukt vai veikt slodzes testus, taču tas ir lieliski piemērots aeronavigācijas testiem vēja tunelī un montāžas testiem, kur mēs varam to būvēt no reāliem komponentiem, lai pārliecinātos, ka viss ir piemērots.’
Tāpat kā Race Ware, šis konkrētais 3D drukas veids, kas pazīstams kā ātrā prototipēšana, ļauj Ridlijam ātri un lēti veikt izmaiņas. Dikāns sāka ar cauruļu formām, ko testēja tunelī. Tad mēs uzbūvējām pilnīgus rāmjus. Mēs tos pārbaudām, novērtējam, pēc tam atgriežamies un veicam nelielas izmaiņas. Tas ir lieliski – nelielas izmaiņas var veikt ļoti ātri. Jums vienkārši jānospiež poga un jāgaida, līdz printeris pārtrauks drukāšanu.
‘Iepriekš jūs izmantojāt datorus un programmatūru, lai izveidotu rāmi, līdz brīdim, kad jūs iedeva zaļo gaismu un kadru izgatavotāji sāka griezt veidnes. Lai gan 3D drukāšana nav lēta tehnoloģija, tā noteikti ir lētāka nekā atvērt veidni, pamanot, ka rāmī kaut kas nav kārtībā un jāsāk no jauna,” piebilst Van de Berks.
Tātad, ja tādi uzņēmumi kā 3T RPD var drukāt metālā un tādi ražotāji kā Ridley jau drukā veselus velosipēdu rāmju prototipus, kāpēc gan mēs nevaram apvienot abus un sākt drukāt braucamus velosipēdus?
‘Pilnam rāmi tas ir diezgan sarežģīti, jo braukšanas laikā rāmis tiek noslogots,” skaidro Van den Berks. “Tā ir sarežģīta struktūra, kurai jāspēj tikt galā ar visa veida spriegumiem un spriedzi. Izmantojot oglekli, slāņu veidošanas veids padara rāmi stingru vai stingru noteiktā virzienā. Drukājot, ir daudz grūtāk kontrolētrekvizītus
materiāls, un tas apgrūtina rāmja ražošanu. Tomēr lietas noteikti iet šajā virzienā.’
Apjomradīti ietaupījumi
Atpakaļ pie kanāla Bristolē ir viens uzņēmums, kuram 3D drukāto kadru realitāte kļūst arvien tuvāka - vismaz daļēji.
Charge Bikes ir sadarbojies ar EADS (Eiropas aeronautikas aizsardzības un kosmosa uzņēmums), lai radītu pirmos drukātos izlaidumus. Izgatavoti no Ti6Al4V titāna, izkritumi tiek izdrukāti EADS rūpnīcā, pirms tiek nosūtīti uz Taivānu, lai tos piemetinātu Charge saldētavas krosa motociklos. Tomēr, lai gan EN testēšana un nogurdinoši astoņi mēneši Charge pro braucēja Krisa Metkalfa vadībā ir parādījuši, ka atkritušie ir tikpat veiksmīgi kā viņu radinieki ar CNC, viņi un process, kurā viņi piedalās, nav bez ierobežojumiem.
Nīls Kazinss no Charge saka: “Pašlaik izdrukātie atkritumi palielina standarta saldētavas rāmja izmaksas par 20%, daļēji tāpēc, ka katra komplektācija printera izmēra dēļ var radīt tikai ne vairāk kā 50 atkritumus. Mūs ierobežo arī printeru skaits - pašlaik tādi ir tikai trim citiem uzņēmumiem Apvienotajā Karalistē - un to lietošanai nepieciešamās zināšanas un prasmes.’
Cousins norāda, ka nav iemesla, kāpēc nākotnē šādu detaļu ražošanas izmaksas nevarētu samazināties, palielinoties iekārtu izmēram un skaitam, taču pagaidām viņš ir reālistisks attiecībā uz tehnoloģiju virzību: Mēs esam vienmēr nāk klajā ar detaļu plāniem un tikko šeit esam nolīguši jaunu rūpniecisko dizaineru. Viena lieta, kas jāatceras, ir tāda, ka daudzas detaļas būs tik dārgas, ka mums ir jābūt uzmanīgiem, lai nedarītu kaut ko tādu, kas gadiem ilgi stāvēs mūsu izplatītāju plauktos. Tomēr daudzi lielie velosipēdu nozares dalībnieki ir sazinājušies ar mums un EADS, lai iegūtu vairāk informācijas par tehnoloģiju, un īsākā laikā es varu viegli redzēt, ka 3D drukāšana tiek izmantota tādu komponentu kā centrmezglu, mehānismu izgatavošanai. un kasetes.'
Martyns Heriss no Race Ware, iespējams, ir soli priekšā, sadarbojoties ar aerodinamikas guru Saimonu Smartu, lai izgatavotu titāna kātu. Lai gan tā nebūt nav gatava, pārdodama prece (Harris lēš, ka pašreizējā versija viņam ir izmaksājusi 5000 £, tāpēc tās maiņa varētu būt nedaudz sarežģīta), tā tikai kalpo, lai pierādītu, kādā līmenī pašlaik ir 3D drukāšana un kāds ir tas būs vajadzīgs, lai nokļūtu tur, kur vēlētos nokļūt tādi uzņēmumi kā Race Ware un Charge.
„3D drukāšanas nākotnes atslēga ir procesa izpratne,” saka 3T RPD pārstāvis Fils Kilbērns. “No mūsu puses ir vajadzīgs liels misionāru darbs, lai cilvēki noticētu tehnoloģijai un izglītotu cilvēkus par to, ko tā var un ko nevar. Tikai tad, kad esat sapratis procesu, varat to izmantot. Tas vēl nav līdz galam nokļuvis, taču, kad tas notiks, 3D drukāšana sāks eksplodēt.’
Smalkā drukāšana: kā patiesībā darbojas 3D drukāšana
- Tāpat kā konstrukciju no plastmasas, 3T RPD ir vairākas iekārtas, kas drukā metāla daļas, piemēram, šos titāna ķēžu uztvērējus, ko pasūtījis Race Ware.
- Printera kameru uzkarsē līdz 70°C, pirms vienas šķiedras lāzers, kas darbojas 1000°C+ temperatūrā, izseko divdimensiju slāņus titāna pulvera slānī.
- Spilgti b altā gaisma, ko varat redzēt, nav lāzera punkts, bet gan intensīva gaisma, kas tiek izstarota, pulverveida titānam izkausējot.
- Ķēdes uztvērēji ir veidoti 20 mikronu slāņos - pēc katra slāņa izsekošanas printera pamatne nokrīt par 0,02 mm, pirms tiek izklāts jauns pulvera slānis.
- Metāla printeru gultas mēdz būt daudz mazākas nekā plastmasas printeru gultas. Taču jaunākās 3T RPD iekārtas jau ir par 50% augstākas nekā to priekšgājēji.
- Lielā problēma, kas saistīta ar printeru palielināšanu, ir saistīta ar fokusēšanas lāzeriem. Mazākiem metāla printeriem tiek izmantots viens lāzers, savukārt lielāka izmēra plastmasas printeriem ir jāizmanto divi.
- Trīs titāna ķēdes uztvērēju drukāšana aizņem apmēram četras stundas. Printera gultnē var iespiest līdz pat 50, taču izveides laiks palielināsies līdz aptuveni 12 stundām.
- Kad konstrukcija ir pabeigta, detaļas var noņemt gandrīz tāpat kā izvelkot akmeni no smilšu kaudzes. Liela daļa pāri palikušā pulvera tiek pārstrādāta un ievietota atpakaļ nākamajā konstrukcijā.
