Selvreplikerende printere, der skaber objekter ud fra computertegninger? Ikke science fiction, men en realitet, der skal revolutionere fremstillingen
Selv om du måske ikke tror det, var 1986 et afgørende år. Dereguleringen af London Stock Exchange ændrede den måde, vi tænkte om penge på; Tjernobyl ændrede den måde, vi tænkte om atomkraft på; Top Gun ændrede måden, vi tænkte om filmsoundtracks på, og for dem, der er opmærksomme, ændrede en amerikansk gentleman ved navn Chuck Hull måden, vi tænkte på fremstilling.
Det år den 11. marts (måske ca. en million dage siden den traditionelle grundlæggelse af Rom), blev Hull udstedt med amerikansk patent nummer 4, 575, 330: 'Apparat til produktion af tredimensionelle objekter ved stereolitografi'. Og så blev 3D-printeren født.
'Chuck Hull var ham, der startede det hele,' siger Phil Kilburn, salgschef hos 3D-printerfirmaet 3T RPD. »Han arbejdede for Xerox på det tidspunkt, og kom på ideen om at lægge blæk ovenpå hinanden for at skabe en solid tredimensionel model. Han tog denne proces og startede det første 3D-printfirma, 3D Systems.’
I begyndelsen
Hulls originale 3D-printer brugte et ultraviolet lys til at tegne en todimensionel form over overfladen af et kar af flydende fotopolymer, et stof, der bliver fast, når det udsættes for ultraviolette stråler. Denne proces sker igen og igen og opbygger 2D-lag for at skabe et 3D-objekt. Selvom de processer og materialer, der bruges i 3D-printere er nået langt siden da, forbliver grundprincipperne de samme.
'De maskiner, vi bruger nu, anvender lasere,' siger 3T RPD's it-chef Martyn Harris. »Processen er ekstremt smart, men i sin grundform er den meget enkel: Tag noget pulver og smelt det. Så i vores maskiner har du en seng af pulveriseret materiale, for eksempel nylon, som varmes op i printerens kammer til lige under smeltepunktet. Lasere sporer derefter todimensionelle tværsnit af den komponent, du ønsker at producere, over pulveret, og smelter et 2D-lag hver gang. Når først et lag er sporet, falder printerens leje med, lad os sige, 120 mikron [0,12 mm], og derefter spreder en genbelægningsarm endnu et lag pulveriseret materiale over toppen, og processen begynder igen, med laserne sporing ud af det næste lag.'
Denne proces er baseret på metoden 'sintring', hvor atomerne i et pulvers partikler ved høje temperaturer diffunderer ind i hinanden og bliver til et fast stykke. Men det er ikke nok bare at rette en laser mod noget plastik og forvente, at en nyttig genstand dukker op.
"Det, du gør først, er at lave en 3D CAD [computerstøttet design]-model af det, du vil lave," siger Harris.»Så pakker du ved hjælp af skræddersyet software modellerne ind i et virtuelt 3D-rum, der afspejler størrelsen på printersengen. Derfra gemmer du alle dine filer i STL - stereolitografi eller triangulerede filer - og når du har filerne klar, skærer du stort set dem alle i en hvilken som helst tykkelse, du bygger. Alle disse udskårne filer bliver sendt til den computer, der styrer printeren, og så er det bare et tilfælde af at trykke på go, og printeren vil udskrive det. Ironisk nok er mange af delene af disse printere printet på andre printere her, så de er blevet selvgentagende.’
Harris har været involveret i 3T RPD i de sidste 13 år og har senest grundlagt Race Ware, et cykelkomponentfirma, der fremstiller sine produkter – fra Garmin plastikbeslag til titanium kædefangere – ved hjælp af 3T RPD's printere.
'Jeg kom ind i det her, fordi jeg kører en SRM og har et par Easton TT-stænger,' siger Harris. »Da jeg gik for at lede efter et barbeslag, kunne jeg kun finde et forfærdeligt adaptersæt, så jeg tænkte, at jeg ville lave mit eget. Jeg regnede med, at hvis jeg lavede en til mig, ville jeg se, om nogen andre også ville have en, så jeg gik ind på et TT-forum og spurgte rundt. Denne fyr ved navn Jason Swann sagde, at han ville have en Garmin, og han var en CAD-designer, så han gav mig designet. Det tog os kun tre eller fire måneder at komme fra den første iteration til den version, vi nu sælger.’
Som Harris angiver, er et af de vigtigste fremskridt, der følger med 3D-fremstilling, den hastighed og lethed, hvormed produkter kan produceres og finpudses. Den overordnede proces fra tegnebræt til færdig artikel er usædvanlig hurtig sammenlignet med mere traditionelle metoder – selvom byggetiden kan tage alt fra et par timer til omkring en uge, afhængigt af kompleksiteten og antallet af de produkter, der udskrives.
‘I modsætning til andre fremstillingsprocesser, såsom sprøjtestøbning, er der ingen værktøj med 3D-print,” siger Harris. »Alt, jeg skal gøre, er at oprette CAD-modellen, lave et par testkørsler, lave et par justeringer og så, når jeg er tilfreds med den, begynde at udskrive. Folk har svært ved at få hovedet uden om det. De spørger, hvad leveringstiden er, og jeg kan svare: "To eller tre uger", mens de er vant til, at nogen siger: "Den vil være klar til kvart fire næste år."'
Hurtig prototyping
Selvfølgelig er 3T RPD og Race Ware ikke alene; der er andre producenter og industrier, der i øjeblikket høster fordelene ved 3D-print og søger at rykke grænserne endnu længere. Audi brugte 3D-printrobotter til at skabe RSQ-konceptbilen, der dukkede op i filmen I, Robot; Formel 1-hold som Sauber bruger 3D-printede bremsekanaler på deres biler, og senest annoncerede det hollandske arkitektfirma Dus Architects planer om at 3D-printe et helt hus. Så hvis alt dette er muligt (huset vil angiveligt blive bygget i dele på en seks meter høj printer ved navn 'KarmerMaker'), hvad kan konsekvenserne for cyklerne selv være? En mand, der tror, han kender, er chef for forskning og udvikling hos Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
'Vi har printet små prototypekomponenter i de sidste to eller tre år, som bremsen til Noah Fast-gaflen,' siger Van den Berk. "Men for første gang i år [2013] har vi printet en hel ramme som en del af udviklingen af vores nye version af Dean TT-cyklen. Den er ikke stærk nok til at blive redet eller stresstestet, men den er fantastisk til aerotest i vindtunnelen og montagetest, hvor vi kan bygge den op med rigtige komponenter for at se, at alt passer.’
Som med Race Ware giver denne særlige type 3D-print – kendt som hurtig prototyping – Ridley mulighed for at foretage ændringer hurtigt og billigt. »Dekanen startede med rørformer til at teste i tunnelen. Så byggede vi komplette rammer. Vi tester disse, evaluerer og går derefter tilbage og laver små ændringer. Det er det fantastiske - små ændringer kan laves meget hurtigt. Du skal bare trykke på en knap og vente på, at printeren stopper med at udskrive.
‘Tidligere brugte du computere og software til at lave en ramme, indtil det punkt, hvor du giver grønt lys, og rammemagerne begynder at skære formene. Selvom 3D-print ikke er billig teknologi, er det bestemt billigere end at åbne en form, se noget g alt med rammen og skulle starte forfra, tilføjer Van de Berk.
Så hvis virksomheder som 3T RPD kan printe i metal, og producenter som Ridley allerede printer hele prototype-cykelrammer, hvorfor kan vi så ikke sætte de to sammen og begynde at printe ride-bare cykler?
‘For et komplet stel er det ret svært på grund af den måde, et stel belastes på under kørsel,” forklarer Van den Berk. »Det er en kompleks struktur, der skal kunne håndtere alle former for belastninger og belastninger. Med carbon er den måde, du skaber lagene på, det, der gør en ramme stærk eller stiv i en bestemt retning. Med udskrivning er det meget sværere at kontrollere egenskaberne for
materialet, og det er det, der gør stelproduktionen hård. Men tingene går bestemt i den retning.'
Stordriftsfordele
Tilbage over kanalen i Bristol er der én virksomhed, for hvilken virkeligheden med 3D-printede rammer kommer stadig tættere på – i det mindste delvist.
Charge Bikes har arbejdet sammen med EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) for at skabe de første produktionstrykte dropouts. Lavet af Ti6Al4V titanium udskrives dropouts på EADS's anlæg, før de sendes til Taiwan for at blive svejset ind i Charges frysercrosscykler. Men mens EN-testning og en udmattende otte måneder under Charge pro-rytter Chris Metcalfe har vist, at frafaldene er lige så succesfulde som deres CNC's fætre, er de, og den proces, de er en del af, ikke uden begrænsninger.
Charge's Neil Cousins siger: I øjeblikket tilføjer de udskrevne udfald 20 % til prisen på en standard fryserramme, delvist fordi hver build kun kan producere maksim alt 50 udfald på grund af printerens størrelse. Vi er også begrænset med antallet af printere derude - i øjeblikket har kun tre andre virksomheder i Storbritannien dem - og den ekspertise og de færdigheder, der er nødvendige for at bruge dem.'
Cusins påpeger, at der ikke er nogen grund til, at omkostningerne ved at producere sådanne dele i fremtiden ikke kan falde, efterhånden som maskinstørrelser og -antal stiger, men indtil videre er han realistisk med hensyn til, hvor teknologien er på vej hen: 'Vi er kommer altid med planer for dele og har netop ansat en ny industriel designer her. En ting at huske er, at mange af delene vil være så dyre, at vi skal passe på ikke at gøre noget, der vil sidde på vores distributørers hylder i årevis. Når det er sagt, har mange af de store aktører i cykelindustrien været i kontakt med os og EADS for at få mere information om teknologien, og på kortere sigt kan jeg sagtens se, at 3D-print bliver brugt til at lave komponenter som hubs, mechs. og kassetter.'
Race Wares Martyn Harris kan meget vel være et skridt foran efter at have samarbejdet med den aerodynamiske guru Simon Smart om at lave en titanium frempind. Selvom det langt fra er en færdig, salgbar genstand (Harris anslår, at den nuværende version har kostet ham 5.000 £, så det kan være lidt svært at skifte en), men tjener bare til at bevise, hvilket niveau 3D-print er på i øjeblikket, og også hvad det vil tage at komme derhen, hvor virksomheder som Race Ware og Charge gerne vil hen.
'Nøglen til 3D-prints fremtid er at forstå processen,' siger 3T RPD's Phil Kilburn. »Det har krævet meget missionsarbejde fra vores side at få folk til at tro på teknologien, at uddanne folk i, hvad den kan og ikke kan. Først når du har forstået processen, kan du drage fordel af den. Det er ikke helt nået dertil endnu, men når det sker, kommer 3D-print til at eksplodere.’
Det med småt: Hvordan 3D-print rent faktisk fungerer
- Ud over at bygge i plastik har 3T RPD en række maskiner, der printer metaldele, såsom disse titanium-kædefangere bestilt af Race Ware.
- Printerkammeret opvarmes til 70°C, før en enkelt fiberlaser, der arbejder ved 1.000°C+, sporer de todimensionelle lag ud i et leje af titaniumpulver.
- Det skarpe hvide lys, du kan se, er ikke prikken på laseren, men snarere et intenst lys, der udsendes, når det pulveriserede titanium bliver smeltet.
- Kædefangerne er bygget i 20 mikron lag – efter hvert lag er blevet sporet ud, falder printersengen med 0,02 mm, før et frisk lag pulver spredes ud.
- Printersenge i metal har en tendens til at være meget mindre end printersenge af plast. Men den seneste af 3T RPDs maskiner bygger allerede 50 % højere end deres forgængere.
- Det store problem med at gøre printere større kommer med fokuseringslasere. De mindre metalprintere bruger en enkelt laser, mens plastprintere med større område skal bruge to.
- Udskrivning af tre kædefangere i titanium tager omkring fire timer. Op til 50 kan presses ind i printersengen, men byggetiden vil øges til omkring 12 timer.
- Når byggeriet er færdigt, kan delene fjernes næsten som at hente en sten fra en bunke sand. Meget af det tiloversblevne pulver genbruges og sættes tilbage i den næste build.
