Samoreprodukovatelné tiskárny vytvářející objekty z počítačových výkresů? Není to sci-fi, ale realita, která způsobila revoluci ve výrobě
Ač se vám to možná nezdá, rok 1986 byl klíčový. Deregulace londýnské burzy změnila způsob, jakým jsme přemýšleli o penězích; Černobyl změnil způsob, jakým jsme přemýšleli o jaderné energii; Top Gun změnil způsob, jakým jsme přemýšleli o filmových soundtrackech, a pro ty, kteří dávají pozor, americký gentleman jménem Chuck Hull změnil způsob, jakým jsme přemýšleli o výrobě.
Toho roku, 11. března (možná jeden milion dní od tradičního založení Říma), byl Hullovi vydán americký patent číslo 4, 575, 330: ‚Přístroj pro výrobu trojrozměrných objektů stereolitografií‘. A tak se zrodila 3D tiskárna.
„Chuck Hull byl člověk, který to všechno začal,“říká Phil Kilburn, obchodní manažer společnosti 3T RPD, která se zabývá 3D tiskem. „V té době pracoval pro Xerox a přišel s nápadem položit inkousty na sebe a vytvořit tak pevný trojrozměrný model. Ujal se tohoto procesu a založil první společnost 3D tisku, 3D Systems.‘
Na začátku
Původní 3D tiskárna Hull používala ultrafialové světlo k vykreslení dvojrozměrného tvaru přes povrch nádoby s tekutým fotopolymerem, látkou, která se po vystavení ultrafialovým paprskům změní na pevnou. Tento proces se opakuje znovu a znovu a vytváří 2D vrstvy a vytváří 3D objekt. Zatímco procesy a materiály používané ve 3D tiskárnách od té doby ušly dlouhou cestu, základy zůstávají stejné.
„Stroje, které používáme, nyní využívají lasery,“říká IT manažer 3T RPD Martyn Harris. „Tento proces je nesmírně chytrý, ale ve své základní podobě je velmi jednoduchý: vezměte trochu prášku a roztavte ho. Takže v našich strojích máte lože práškového materiálu, například nylonu, který se v komoře tiskárny zahřeje těsně pod bod tání. Lasery pak přes prášek obkreslují dvourozměrné průřezy součásti, kterou chcete vyrobit, a pokaždé roztaví 2D vrstvu. Jakmile je vrstva obkreslena, lože tiskárny poklesne o, řekněme, 120 mikronů [0,12 mm], poté rameno převrstvovače nanese na vrch další vrstvu práškového materiálu a proces začíná znovu, přičemž lasery trasují z další vrstvy.'
Tento proces je založen na metodě „slinování“, kdy při vysokých teplotách atomy v částicích prášku do sebe difundují a stávají se pevným kusem. Nestačí ale jen namířit laser na nějaký plast a očekávat, že se objeví užitečný předmět.
„Nejdříve uděláte 3D CAD [počítačově podporovaný design] model toho, co chcete vytvořit,“říká Harris.„Potom pomocí softwaru na míru zabalíte modely do virtuálního 3D prostoru, který zrcadlí velikost lůžka tiskárny. Odtud uložíte všechny své soubory v STL – stereolitografii nebo triangulované soubory – a když máte soubory připravené, v podstatě je všechny nakrájíte na tloušťku, kterou vytváříte. Všechny tyto nakrájené soubory jsou odeslány do počítače, který ovládá tiskárnu, a pak stačí stisknout tlačítko Go a tiskárna to vytiskne. Je ironií, že mnoho částí těchto tiskáren je zde vytištěno na jiných tiskárnách, takže se samy opakují.‘
Harris byl zapojen do 3T RPD posledních 13 let a naposledy založil Race Ware, společnost na výrobu komponent pro jízdní kola, která vyrábí své produkty – od plastových držáků Garmin až po titanové lapače řetězu – pomocí tiskáren 3T RPD.
‚Dostal jsem se do toho, protože mám SRM a mám pár tyčinek Easton TT,‘říká Harris. „Když jsem šel hledat držák na lištu, našel jsem jen nějakou příšernou sadu adaptérů, tak jsem si řekl, že si vyrobím vlastní. Usoudil jsem, že když ho budu vyrábět pro mě, uvidím, jestli ho bude chtít i někdo jiný, a tak jsem zašel na fórum TT a zeptal se. Ten chlap jménem Jason Swann řekl, že chce Garmin, a byl CAD designér, takže mi dal návrh. Trvalo nám jen tři nebo čtyři měsíce, než jsme se dostali od první iterace k verzi, kterou nyní prodáváme.‘
Jak uvádí Harris, jedním z klíčových pokroků, který přichází s 3D výrobou, je rychlost a snadnost, s jakou lze produkty vyrábět a zdokonalovat. Celkový proces od rýsovacího prkna až po hotový výrobek je výjimečně rychlý ve srovnání s tradičnějšími metodami – ačkoli doba sestavení může trvat od několika hodin do přibližně týdne, v závislosti na složitosti a počtu tištěných produktů.
„Na rozdíl od jiných výrobních procesů, jako je vstřikování, u 3D tisku nejsou žádné nástroje,“říká Harris. „Všechno, co musím udělat, je vytvořit model CAD, provést několik testovacích jízd, provést několik úprav a pak, když jsem s ním spokojen, začít tisknout. Pro lidi je těžké se v tom orientovat. Ptají se, jaká je dodací lhůta, a já mohu odpovědět: „Dva nebo tři týdny“, zatímco oni jsou zvyklí, že někdo říká: „Bude to hotové do čtvrt na čtyři příštího roku.““
Rychlé prototypování
Samozřejmě 3T RPD a Race Ware nejsou samy; v současnosti jsou další výrobci a průmyslová odvětví, kteří využívají výhody 3D tisku a chtějí posouvat hranice ještě dále. Audi použilo 3D tiskové roboty k vytvoření koncepčního vozu RSQ, který se objevil ve filmu Já, robot; Týmy Formule 1, jako je Sauber, používají na svých vozech 3D tištěné brzdové kanály a nejnověji holandská architektonická firma Dus Architects oznámila plány na 3D tisk celého domu. Takže, pokud je toto vše proveditelné (dům bude údajně postaven po částech na šest metrů vysoké tiskárně jménem ‚KarmerMaker‘), jaké to může mít důsledky pro samotná kola? Jeden muž, který si myslí, že ví, je vedoucí výzkumu a vývoje ve společnosti Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
„Poslední dva nebo tři roky jsme tiskli malé prototypové komponenty, jako je brzda pro vidlici Noah Fast,“říká Van den Berk. „Ale letos [2013] jsme poprvé vytiskli celý rám jako součást vývoje naší nové verze kola Dean TT. Není dost pevný na to, aby se s ním dalo jezdit nebo testovat zátěž, ale je skvělý pro aero testování ve větrném tunelu a testování montáže, kde ho můžeme sestavit se skutečnými komponenty, abychom viděli, že všechno sedí.‘
Stejně jako u Race Ware umožňuje tento konkrétní typ 3D tisku – známý jako rychlé prototypování – Ridleymu provádět změny rychle a levně. „Děkan začal s tvary trubek k testování v tunelu. Poté jsme postavili kompletní rámy. Testujeme je, hodnotíme, pak se vracíme a provádíme malé změny. To je skvělá věc – malé změny lze provést velmi rychle. Stačí stisknout tlačítko a počkat, až tiskárna přestane tisknout.
‘Dříve jste k vytvoření rámu používali počítače a software až do bodu, kdy dáte zelenou a výrobci rámů začnou vyřezávat formy. I když 3D tisk není levná technologie, je rozhodně levnější než otevřít formu, vidět něco špatně s rámem a muset začít znovu, “dodává Van de Berk.
Pokud tedy společnosti jako 3T RPD dokážou tisknout na kov a výrobci jako Ridley již tisknou celé prototypy rámů kol, proč bychom tyto dva nemohli spojit a začít tisknout jízdní kola?
„U kompletního rámu je to docela obtížné kvůli tomu, jak je rám zatěžován během jízdy,“vysvětluje Van den Berk. „Je to složitá struktura, která musí být schopna vypořádat se se všemi druhy stresu a napětí. U karbonu způsob, jakým vytváříte vrstvy, dělá rám pevným nebo tuhým v určitém směru. S tiskem je mnohem obtížnější ovládat vlastnosti
materiál a to je to, co ztěžuje výrobu rámu. Nicméně věci se určitě ubírají tímto směrem.‘
Úspory z rozsahu
Za Channelem v Bristolu je jedna společnost, pro kterou se realita 3D tištěných rámečků stále více přibližuje – alespoň částečně.
Charge Bikes spolupracuje s EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) na vytvoření prvních produkčně tištěných výpadků. Jsou vyrobeny z titanu Ti6Al4V a jsou vytištěny v závodě EADS před odesláním na Tchaj-wan, aby byly zavařeny do mrazicích krosových kol Charge. Avšak zatímco testování EN a vyčerpávajících osm měsíců pod Charge profesionálním jezdcem Chrisem Metcalfem ukázaly, že ti, kteří odpadli, jsou stejně úspěšní jako jejich CNC bratranci, oni a proces, jehož jsou součástí, nejsou bez omezení.
Neil Cousins z Charge říká: „V současné době vytištěné výpadky zvyšují náklady na standardní rám Freezer o 20 %, částečně proto, že každá sestava může kvůli velikosti tiskárny vyprodukovat maximálně 50 výpadků. Jsme také omezeni počtem tiskáren – v současnosti je mají pouze tři další společnosti ve Spojeném království – a odbornými znalostmi a dovednostmi potřebnými k jejich používání.’
Cousins poukazuje na to, že neexistuje žádný důvod, proč by v budoucnu nemohly náklady na výrobu takových dílů klesnout, protože velikosti a počty strojů se zvyšují, ale prozatím je realistický ohledně toho, kam tato technologie směřuje: „Jsme vždy přichází s plány na díly a právě jsme zde najali nového průmyslového designéra. Jedna věc, kterou je třeba si zapamatovat, je, že mnoho dílů bude tak drahých, že si musíme dávat pozor, abychom neudělali něco, co bude ležet na pultech našich distributorů roky. To znamená, že mnoho velkých hráčů v cyklistickém průmyslu se s námi a EADS spojilo, aby získali více informací o technologii, a z krátkodobého hlediska snadno vidím, jak se 3D tisk používá pro výrobu komponentů, jako jsou náboje, mechanismy a kazety.'
Martyn Harris z Race Ware může být o krok napřed, když spolupracoval s aerodynamickým guru Simonem Smartem na výrobě titanového představce. I když to zdaleka není hotový, prodejný artikl (Harris odhaduje, že ho současná verze stála 5 000 liber, takže přesunutí by mohlo být trochu obtížné), slouží pouze k prokázání toho, na jaké úrovni je v současnosti 3D tisk a na jaké bude trvat, než se dostane tam, kam by chtěly jít společnosti jako Race Ware a Charge.
„Klíčem k budoucnosti 3D tisku je pochopení procesu,“říká Phil Kilburn z 3T RPD. „Z naší strany bylo zapotřebí hodně misionářské práce, abychom přiměli lidi, aby této technologii věřili, abychom je poučili o tom, co umí a co ne. Teprve když proces pochopíte, můžete jej využít. Ještě to tak úplně nedorazilo, ale když se to stane, 3D tisk exploduje.‘
Drobný tisk: Jak vlastně funguje 3D tisk
- Stejně jako zabudování do plastu má 3T RPD řadu strojů, které tisknou kovové díly, jako jsou tyto titanové lapače řetězů od Race Ware.
- Komora tiskárny se zahřeje na 70 °C a poté jednovláknový laser, pracující při teplotě 1 000 °C+, vykreslí dvourozměrné vrstvy v loži titanového prášku.
- Jasné bílé světlo, které můžete vidět, není bodem laseru, ale spíše intenzivním světlem, které je vyzařováno, když se práškový titan roztaví.
- Zachycovače řetězu jsou zabudovány do 20mikrometrových vrstev – po obkreslení každé vrstvy klesne podložka tiskárny o 0,02 mm, než se rozprostře čerstvá vrstva prášku.
- Kovová lůžka tiskáren bývají mnohem menší než plastová lůžka tiskáren. Ale nejnovější ze strojů 3T RPD už jsou o 50 % vyšší než jejich předchůdci.
- Velký problém při zvětšování tiskáren přichází se zaostřovacími lasery. Menší kovové tiskárny používají jeden laser, zatímco větší plastové tiskárny musí používat dva.
- Tisk tří lapačů řetězu do titanu trvá přibližně čtyři hodiny. Do lůžka tiskárny lze vtěsnat až 50, ale doba sestavení se prodlouží na přibližně 12 hodin.
- Po dokončení stavby lze díly odstranit téměř jako vytahování kamene z hromady písku. Velká část zbylého prášku je recyklována a dána zpět do další stavby.
