Самовоспроизводящиеся принтеры, создающие объекты из компьютерных рисунков? Не научная фантастика, а реальность, призванная произвести революцию в производстве
1986 год был поворотным, хотя вы можете и не думать об этом. Дерегулирование Лондонской фондовой биржи изменило наше представление о деньгах; Чернобыль изменил наши представления об атомной энергетике; Top Gun изменил наше представление о саундтреках к фильмам, а для тех, кто внимательно следит, американский джентльмен по имени Чак Халл изменил наше представление о производстве.
В том же году, 11 марта (примерно через миллион дней после традиционного основания Рима), Халлу был выдан патент США № 4, 575, 330: «Устройство для производства трехмерных объектов с помощью стереолитографии». Так родился 3D-принтер.
«Чак Халл был парнем, с которого все началось», - говорит Фил Килберн, менеджер по продажам компании 3T RPD, занимающейся 3D-печатью. «В то время он работал в Xerox, и ему пришла в голову идея накладывать чернила друг на друга, чтобы создать твердую трехмерную модель. Он взял этот процесс и основал первую компанию по 3D-печати, 3D Systems».
В начале
Первоначальный 3D-принтер Халла использовал ультрафиолетовый свет для рисования двухмерной формы на поверхности чана с жидким фотополимером - веществом, которое затвердевает под воздействием ультрафиолетовых лучей. Этот процесс повторяется снова и снова, создавая 2D-слои для создания 3D-объекта. Хотя с тех пор процессы и материалы, используемые в 3D-принтерах, прошли долгий путь, зачатки остались прежними.
«Теперь в машинах, которые мы используем, используются лазеры», - говорит ИТ-менеджер 3T RPD Мартин Харрис. «Процесс чрезвычайно умный, но в своей основной форме он очень прост: возьмите немного порошка и расплавьте его. Таким образом, в наших машинах у вас есть слой порошкообразного материала, например, нейлона, который нагревается в камере принтера чуть ниже точки его плавления. Затем лазеры отслеживают двумерные поперечные сечения компонента, который вы хотите изготовить, поверх порошка, каждый раз плавя двумерный слой. Как только слой прослеживается, платформа принтера опускается, скажем, на 120 микрон [0,12 мм], затем рычаг для повторного нанесения покрытия наносит сверху еще один слой порошкового материала, и процесс начинается снова, когда лазеры отслеживают следующий слой.'
Этот процесс основан на методе «спекания», когда при высоких температурах атомы в частицах порошка диффундируют друг в друга и становятся цельным куском. Но недостаточно просто направить лазер на пластик и ожидать появления полезного объекта.
«Сначала вы делаете 3D-модель CAD [автоматизированное проектирование] того, что вы хотите сделать», - говорит Харрис.«Затем, используя специальное программное обеспечение, вы упаковываете модели в виртуальное 3D-пространство, которое соответствует размеру платформы принтера. Оттуда вы сохраняете все свои файлы в STL - стереолитографии или триангулированные файлы - и когда у вас есть готовые файлы, вы в основном нарезаете их все до любой толщины, которую вы строите. Все эти нарезанные файлы отправляются на компьютер, который управляет принтером, а затем достаточно нажать кнопку «Пуск», и принтер распечатает их. По иронии судьбы, многие части этих принтеров печатаются на других принтерах здесь, поэтому они стали самовоспроизводящимися».
Харрис занимается 3T RPD в течение последних 13 лет и совсем недавно основал Race Ware, компанию по производству компонентов для велосипедов, которая производит свою продукцию - от пластиковых креплений Garmin до титановых ловителей цепи - с использованием принтеров 3T RPD.
«Я занялся этим, потому что у меня есть SRM и пара рулей Easton TT», - говорит Харрис. «Когда я пошел искать крепление для руля, все, что я смог найти, это какой-то ужасный набор адаптеров, поэтому я подумал, что сделаю свой собственный. Я подумал, что если я делаю один для себя, я узнаю, не хочет ли его кто-нибудь еще, поэтому я зашел на форум TT и поспрашивал. Этот парень по имени Джейсон Суонн сказал, что хочет Garmin, и он был дизайнером САПР, поэтому он дал мне дизайн. Нам потребовалось всего три или четыре месяца, чтобы перейти от первой итерации к версии, которую мы сейчас продаем».
Как указывает Харрис, одним из ключевых достижений, связанных с 3D-производством, является скорость и простота, с которой можно производить и оттачивать изделия. Общий процесс от чертежной доски до готового изделия исключительно быстр по сравнению с более традиционными методами, хотя время сборки может занять от нескольких часов до недели, в зависимости от сложности и количества печатаемых продуктов.
«В отличие от других производственных процессов, таких как литье под давлением, при 3D-печати нет инструментов, - говорит Харрис. «Все, что мне нужно сделать, это создать модель CAD, сделать несколько тестовых прогонов, внести несколько изменений, а затем, когда я буду доволен, начать печать. Людям трудно уложить это в голове. Они спрашивают, сколько времени, и я могу ответить: «Две или три недели», тогда как они привыкли, что кто-то говорит: «Он будет готов к четвертому кварталу следующего года».
Быстрое прототипирование
Конечно, 3T RPD и Race Ware не одиноки; есть и другие производители и отрасли, которые в настоящее время пожинают плоды 3D-печати и стремятся еще больше раздвинуть границы. Audi использовала роботов для 3D-печати для создания концептуального автомобиля RSQ, который появился в фильме «Я, робот»; Команды Формулы-1, такие как Sauber, используют 3D-печатные тормозные каналы на своих автомобилях, а совсем недавно голландская архитектурная фирма Dus Architects объявила о планах 3D-печати всего дома. Итак, если все это осуществимо (дом якобы будет построен по частям на шестиметровом принтере под названием «KarmerMaker»), каковы могут быть последствия для самих велосипедов? Один человек, который думает, что знает, - Дирк Ван ден Берк, глава отдела исследований и разработок Ridley bikes.
«Последние два или три года мы печатали небольшие прототипы компонентов, например, тормоз для вилки Noah Fast», - говорит Ван ден Берк. «Но впервые в этом году [2013] мы напечатали целую раму в рамках разработки нашей новой версии велосипеда Dean TT. Он недостаточно прочен для езды или стресс-тестов, но отлично подходит для аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе и сборочных испытаний, где мы можем собрать его из реальных компонентов, чтобы убедиться, что все подходит».
Как и в случае с Race Ware, этот особый тип 3D-печати, известный как быстрое прототипирование, позволяет Ридли вносить изменения быстро и дешево. «Декан начал с трубчатых форм для испытаний в туннеле. Затем мы построили полные кадры. Мы тестируем их, оцениваем, затем возвращаемся и вносим небольшие изменения. Это здорово - небольшие изменения можно сделать очень быстро. Вам просто нужно нажать кнопку и дождаться, пока принтер прекратит печать.
‘Раньше вы использовали компьютеры и программное обеспечение для создания рамы, вплоть до того момента, когда вы даете зеленый свет, и производители рам начинают вырезать формы. Хотя 3D-печать - недешевая технология, она определенно дешевле, чем открывать форму, видеть что-то не так с рамой и начинать заново», - добавляет Ван де Берк.
Итак, если такие компании, как 3T RPD, могут печатать металлом, а такие производители, как Ridley, уже печатают целые прототипы велосипедных рам, почему мы не можем объединить их и начать печатать велосипеды, пригодные для езды?
«Для полной рамы это довольно сложно из-за того, как рама нагружается во время езды», - объясняет Ван ден Берк. «Это сложная конструкция, которая должна выдерживать всевозможные нагрузки и напряжения. С углеродом то, как вы создаете слои, делает раму прочной или жесткой в определенном направлении. При печати намного сложнее контролировать свойства
материал и вот что усложняет производство рам. Однако дела, безусловно, идут в этом направлении».
Экономия на масштабе
За Ла-Маншем в Бристоле есть одна компания, для которой реальность 3D-печатных рам становится все ближе – по крайней мере, частично.
Charge Bikes сотрудничает с EADS (Европейская аэрокосмическая и оборонная компания) над созданием первых дропаутов, напечатанных на заводе. Изготовленные из титана Ti6Al4V, дропауты печатаются на предприятии EADS, а затем отправляются на Тайвань для приварки к кроссовым велосипедам Charge. Тем не менее, несмотря на то, что EN-тестирование и изнурительные восемь месяцев под руководством профессионального гонщика Charge Криса Меткалфа показали, что отсева не менее успешны, чем их собратья с ЧПУ, они и процесс, частью которого они являются, не лишены ограничений.
Нил Казинс из Charge говорит: «В настоящее время распечатанные дропауты добавляют 20% к стоимости стандартной рамы Freezer, отчасти потому, что каждая сборка может производить максимум 50 дропаутов из-за размера принтера. Мы также ограничены количеством принтеров - в настоящее время они есть только у трех других компаний в Великобритании - и опытом и навыками, необходимыми для их использования».
Казинс отмечает, что нет никаких причин, по которым в будущем стоимость производства таких деталей не может снизиться по мере увеличения размеров и количества машин, но в настоящее время он реалистично оценивает, куда движется технология: «Мы всегда придумывал планы на детали и только что нанял здесь нового промышленного дизайнера. Следует помнить, что многие детали будут настолько дорогими, что мы должны быть осторожны, чтобы не сделать что-то, что будет лежать на полках наших дистрибьюторов годами. Тем не менее, многие крупные игроки в велосипедной индустрии связались с нами и EADS, чтобы получить больше информации о технологии, и в краткосрочной перспективе я могу легко увидеть, как 3D-печать используется для изготовления таких компонентов, как ступицы, мехи. и кассеты.'
Мартин Харрис из Race Ware вполне может быть на шаг впереди, поскольку он сотрудничал с гуру аэродинамики Саймоном Смартом, чтобы сделать титановый вынос. Хотя это далеко не готовый предмет для продажи (по оценкам Харриса, текущая версия обошлась ему в 5000 фунтов стерлингов, так что сменить одну из них может быть немного сложно), она просто служит для того, чтобы показать, на каком уровне находится 3D-печать в настоящее время, а также потребуется, чтобы достичь того, чего хотели бы достичь такие компании, как Race Ware и Charge.
«Ключом к будущему 3D-печати является понимание процесса», - говорит Фил Килберн из 3T RPD. «С нашей стороны потребовалось много миссионерской работы, чтобы заставить людей поверить в технологию, рассказать людям о том, что она может и чего не может. Только после того, как вы поймете процесс, вы сможете воспользоваться им. Это еще не совсем так, но когда это произойдет, 3D-печать взорвется».
Мелкий шрифт: как на самом деле работает 3D-печать
- Помимо изготовления из пластика, 3T RPD имеет серию машин, которые печатают металлические детали, такие как эти титановые улавливатели цепей, заказанные Race Ware.
- Камера принтера нагревается до 70°C, после чего одиночный волоконный лазер, работающий при температуре 1000°C+, вычерчивает двухмерные слои в слое титанового порошка.
- Яркий белый свет, который вы видите, это не точка лазера, а скорее интенсивный свет, который излучается, когда порошкообразный титан становится расплавленным.
- Ловители цепей построены слоями толщиной 20 микрон – после того, как каждый слой прочерчен, платформа принтера опускается на 0,02 мм до того, как будет нанесен новый слой порошка.
- Металлические платформы для принтеров, как правило, намного меньше пластиковых. Но последние машины 3T RPD уже на 50% мощнее своих предшественников.
- Большая проблема с увеличением размеров принтеров связана с фокусирующими лазерами. В небольших металлических принтерах используется один лазер, в то время как в пластиковых принтерах большей площади требуется два.
- Печать трех улавливателей цепей из титана занимает около четырех часов. В кровать принтера можно втиснуть до 50 штук, но время сборки увеличится примерно до 12 часов.
- Когда сборка завершена, части можно удалить почти так же, как извлекать камень из кучи песка. Большая часть оставшегося порошка перерабатывается и возвращается в следующую сборку.
