چاپگرهایی که خود تکثیر می شوند، اشیایی را از نقشه های کامپیوتری ایجاد می کنند؟ نه علمی تخیلی، بلکه واقعیتی است که انقلابی در تولید ایجاد می کند
اگرچه ممکن است فکرش را نکنید، سال 1986 یک سال مهم بود. مقررات زدایی از بورس لندن طرز فکر ما را در مورد پول تغییر داد. چرنوبیل طرز فکر ما در مورد انرژی هسته ای را تغییر داد. تاپ گان طرز فکر ما را در مورد موسیقی متن فیلم تغییر داد، و برای کسانی که به دقت توجه می کنند، یک نجیب زاده آمریکایی به نام چاک هال طرز فکر ما را در مورد ساخت تغییر داد.
آن سال در 11 مارس (شاید تقریباً یک میلیون روز از زمان تأسیس سنتی رم)، هال با ثبت اختراع ایالات متحده به شماره 4، 575، 330 صادر شد: «دستگاه تولید اشیاء سه بعدی با استریولیتوگرافی». و به این ترتیب چاپگر سه بعدی متولد شد.
فیل کیلبرن، مدیر فروش شرکت چاپ سه بعدی 3T RPD می گوید: «چاک هال کسی بود که همه چیز را شروع کرد. او در آن زمان برای زیراکس کار می کرد و به این فکر افتاد که جوهرها را روی هم بگذارد تا یک مدل سه بعدی جامد بسازد. او این فرآیند را در پیش گرفت و اولین شرکت چاپ سه بعدی، سیستم های سه بعدی را راه اندازی کرد.'
در آغاز
چاپگر سه بعدی اصلی هال از یک نور ماوراء بنفش برای ترسیم یک شکل دوبعدی بر روی سطح یک خمره فوتوپلیمر مایع استفاده کرد، ماده ای که هنگام قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش جامد می شود. این فرآیند بارها و بارها اتفاق می‌افتد و لایه‌های دوبعدی برای ایجاد یک شی سه‌بعدی ایجاد می‌شود. در حالی که فرآیندها و مواد مورد استفاده در پرینترهای سه بعدی از آن زمان تا کنون مسیر طولانی را طی کرده اند، اصول اولیه یکسان باقی می مانند.
مارتین هریس، مدیر فناوری اطلاعات 3T RPD می‌گوید: «ماشین‌هایی که ما اکنون از آنها استفاده می‌کنیم از لیزر استفاده می‌کنند. این فرآیند بسیار هوشمندانه است، اما در شکل اولیه آن بسیار ساده است: مقداری پودر بردارید و آن را ذوب کنید.بنابراین در ماشین های ما یک بستر از مواد پودری، به عنوان مثال نایلون، دارید که در محفظه چاپگر تا زیر نقطه ذوب خود گرم می شود. سپس لیزرها سطح مقطع دوبعدی ماده ای را که می خواهید تولید کنید روی پودر ردیابی می کنند و هر بار یک لایه دو بعدی را ذوب می کنند. هنگامی که یک لایه ردیابی می شود، بستر چاپگر به اندازه 120 میکرون [0.12 میلی متر] پایین می آید، سپس یک بازوی پوشش مجدد لایه دیگری از مواد پودری را در بالای آن پخش می کند و فرآیند دوباره با ردیابی لیزر آغاز می شود. از لایه بعدی خارج شوید.'
این فرآیند بر اساس روش "پخت جوش" است، جایی که در دماهای بالا اتم های ذرات پودر به یکدیگر پخش می شوند و به یک قطعه جامد تبدیل می شوند. اما این کافی نیست که لیزر را به سمت مقداری پلاستیک نشانه گیری کنید و انتظار بیرون آمدن یک جسم مفید را داشته باشید.
هریس می‌گوید: اولین کاری که انجام می‌دهید این است که یک مدل سه‌بعدی CAD [طراحی به کمک رایانه] از آنچه می‌خواهید بسازید بسازید.سپس، با استفاده از نرم‌افزار سفارشی، مدل‌ها را در یک فضای سه بعدی مجازی قرار می‌دهید که اندازه تخت چاپگر را منعکس می‌کند. از آنجا همه فایل‌های خود را در STL ذخیره می‌کنید - استریولیتوگرافی یا فایل‌های مثلثی - و وقتی فایل‌ها را آماده کردید، اساساً همه آنها را به هر ضخامتی که می‌سازید برش می‌دهید. همه آن فایل‌های برش‌شده به رایانه‌ای که چاپگر را کنترل می‌کند ارسال می‌شود و سپس فقط یک مورد فشار دادن go است و چاپگر آن را چاپ می‌کند. از قضا، بسیاری از بخش‌های این چاپگرها روی چاپگرهای دیگر در اینجا چاپ می‌شوند، بنابراین خود به خود تکرار می‌شوند.»
هاریس در 13 سال گذشته با 3T RPD درگیر بوده است و اخیراً Race Ware را تأسیس کرده است، یک شرکت سازنده قطعات دوچرخه که محصولات خود را - از پایه‌های پلاستیکی Garmin گرفته تا زنجیرگیرهای تیتانیومی - با استفاده از چاپگرهای 3T RPD تولید می‌کند.
"من به این دلیل وارد شدم که یک SRM اجرا می کنم و یک جفت میله TT Easton دارم." هریس می گوید. وقتی به دنبال پایه میله ای رفتم، تنها چیزی که پیدا کردم یک کیت آداپتور وحشتناک بود، بنابراین فکر کردم که خودم بسازم.فکر کردم که اگر یکی برای خودم درست کنم، می‌بینم که آیا کس دیگری هم می‌خواهد، بنابراین به انجمن TT رفتم و از اطراف پرسیدم. این مرد به نام جیسون سوان گفت که یک گارمین می‌خواهد، و او یک طراح CAD بود، بنابراین او طرح را به من داد. فقط سه یا چهار ماه طول کشید تا از اولین نسخه به نسخه‌ای که اکنون می‌فروشیم برسیم.'
همانطور که هریس نشان می دهد، یکی از پیشرفت های کلیدی که با ساخت سه بعدی حاصل می شود، سرعت و سهولت تولید و اصلاح محصولات است. روند کلی از رسم تخته تا مقاله تمام شده در مقایسه با روش‌های سنتی‌تر بسیار سریع است – اگرچه زمان ساخت می‌تواند از چند ساعت تا حدود یک هفته طول بکشد، بسته به پیچیدگی و تعداد محصولات در حال چاپ.
هریس می‌گوید: «برخلاف سایر فرآیندهای تولید، مانند قالب‌گیری تزریقی، در پرینت سه بعدی هیچ ابزاری وجود ندارد.» تنها کاری که باید انجام دهم این است که مدل CAD را ایجاد کنم، چند بار آزمایشی انجام دهم، چند تغییر ایجاد کنم و سپس وقتی از آن راضی بودم، شروع به چاپ کنم.مردم به سختی می توانند سر خود را از آن دور کنند. آنها می پرسند زمان تحویل چقدر است و من می توانم پاسخ دهم، "دو یا سه هفته"، در حالی که آنها عادت کرده اند کسی بگوید، "تا سه ماهه چهارم سال آینده آماده خواهد شد."
نمونه‌سازی سریع
البته 3T RPD و Race Ware تنها نیستند. در حال حاضر تولیدکنندگان و صنایع دیگری نیز از مزایای پرینت سه بعدی بهره می برند و به دنبال این هستند که مرزها را بیش از پیش پیش ببرند. آئودی از روبات های چاپ سه بعدی برای ساخت ماشین مفهومی RSQ استفاده کرد که در فیلم I, Robot ظاهر شد. تیم‌های فرمول یک مانند ساوبر از کانال‌های ترمز پرینت‌شده سه‌بعدی روی خودروهای خود استفاده می‌کنند و اخیراً، شرکت معمار هلندی Dus Architects برنامه‌هایی برای پرینت سه‌بعدی کل خانه را اعلام کرده است. بنابراین، اگر همه اینها امکان پذیر باشد (این خانه ظاهراً بر روی یک چاپگر با ارتفاع شش متر به نام "KarmerMaker" ساخته می شود)، چه پیامدهایی برای خود دوچرخه ها می تواند داشته باشد؟ مردی که فکر می‌کند می‌داند، رئیس تحقیق و توسعه دوچرخه‌های ریدلی، درک ون دن برک است.
ون دن برک می گوید: «ما در دو یا سه سال گذشته نمونه اولیه قطعات کوچکی را چاپ کرده ایم، مانند ترمز برای فورک Noah Fast. اما برای اولین بار در سال جاری [2013] ما یک فریم کامل را به عنوان بخشی از توسعه نسخه جدید خود از دوچرخه Dean TT چاپ کردیم. آنقدر قوی نیست که بتوان سواری یا تست استرس کرد، اما برای آزمایش هوا در تونل باد و آزمایش مونتاژ عالی است، جایی که می‌توانیم آن را با اجزای واقعی بسازیم تا ببینیم همه چیز مناسب است.»
همانند Race Ware، این نوع خاص از چاپ سه بعدی - معروف به نمونه سازی سریع - به ریدلی اجازه می دهد تا تغییرات را سریع و ارزان انجام دهد. «دین برای آزمایش در تونل با اشکال لوله شروع کرد. سپس قاب های کامل ساختیم. ما اینها را آزمایش می کنیم، ارزیابی می کنیم، سپس به عقب برمی گردیم و تغییرات کوچکی ایجاد می کنیم. این چیز عالی است - تغییرات کوچک را می توان خیلی سریع ایجاد کرد. فقط باید یک دکمه را فشار دهید و منتظر بمانید تا چاپگر چاپ را متوقف کند.
قبلاً از رایانه و نرم افزار برای ایجاد یک قاب استفاده می کردید، تا جایی که چراغ سبز نشان می دادید و سازندگان قاب شروع به برش قالب ها می کردند. ون دی برک می افزاید: در حالی که چاپ سه بعدی فناوری ارزانی نیست، اما مطمئناً ارزان تر از باز کردن قالب، دیدن مشکلی در قاب و شروع دوباره است.
بنابراین، اگر شرکت‌هایی مانند 3T RPD می‌توانند در فلز چاپ کنند و تولیدکنندگانی مانند Ridley در حال چاپ نمونه اولیه قاب‌های دوچرخه هستند، چرا ما نمی‌توانیم این دو را کنار هم بگذاریم و شروع به چاپ دوچرخه‌های قابل سوار کنیم؟
"برای یک قاب کامل، به دلیل نحوه بارگیری یک قاب در حین سواری، بسیار دشوار است،" ون دن برک توضیح می دهد. این ساختار پیچیده ای است که باید بتواند با انواع تنش ها و کرنش ها مقابله کند. با کربن، نحوه ایجاد لایه ها همان چیزی است که یک قاب را در جهت خاصی محکم یا سفت می کند. با چاپ، کنترل خواصبسیار دشوارتر است
مواد و این چیزی است که تولید فریم را سخت می کند. با این حال، مطمئناً همه چیز در این جهت پیش می‌رود.»
اقتصاد مقیاس
در کانال در بریستول، یک شرکت وجود دارد که واقعیت قاب‌های پرینت سه‌بعدی برای آن روز به روز نزدیک‌تر می‌شود - حداقل تا حدی.
Charge Bikes با EADS (شرکت دفاعی و فضایی هوانوردی اروپا) برای ایجاد اولین نسخه‌های چاپ شده در تولید کار کرده است. این قطعات که از تیتانیوم Ti6Al4V ساخته شده اند، قبل از ارسال به تایوان برای جوش داده شدن در دوچرخه های کراس فریزر Charge در تاسیسات EADS چاپ می شوند. با این حال، در حالی که آزمایش EN و هشت ماه طاقت‌فرسا زیر نظر کریس متکالف، سوارکار حرفه‌ای Charge، نشان داده است که ترک تحصیل به اندازه پسرعموهای CNC خود موفق بوده‌اند، آنها و فرآیندی که بخشی از آن هستند، بدون محدودیت نیستند.
Charge's Neil Cousins می‌گوید: «در حال حاضر نسخه‌های چاپ شده 20 درصد به هزینه یک قاب فریزر استاندارد اضافه می‌کنند، تا حدی به این دلیل که هر ساخت به دلیل اندازه چاپگر تنها می‌تواند حداکثر 50 حذف تولید کند.ما همچنین با تعداد پرینترهای موجود در بازار محدود هستیم - در حال حاضر فقط سه شرکت دیگر در بریتانیا آنها را دارند - و تخصص و مهارت های لازم برای استفاده از آنها.'
Cousins خاطرنشان می کند که دلیلی وجود ندارد که در آینده با افزایش اندازه و تعداد دستگاه ها، هزینه تولید چنین قطعاتی کاهش پیدا نکند، اما در حال حاضر او در مورد اینکه این فناوری به کجا می رود واقع بین است: ما در حال حاضر هستیم. همیشه در حال برنامه ریزی برای قطعات است و به تازگی یک طراح صنعتی جدید را در اینجا استخدام کرده ام. نکته ای که باید به خاطر داشته باشید این است که بسیاری از قطعات آنقدر گران خواهند بود که باید مراقب باشیم کاری نکنیم که سال ها در قفسه های توزیع کنندگان ما بماند. با این حال، بسیاری از بازیگران بزرگ در صنعت دوچرخه با ما و EADS در تماس بوده اند تا اطلاعات بیشتری در مورد این فناوری به دست آورند، و در کوتاه مدت می توانم به راحتی شاهد استفاده از پرینت سه بعدی برای ساخت قطعاتی مانند هاب، مکانیک باشم. و نوار کاست.'
مارتین هریس از Race Ware ممکن است یک قدم جلوتر باشد، زیرا با استاد آیرودینامیک Simon Smart برای ساخت یک ساقه تیتانیومی همکاری کرده است.اگرچه به‌عنوان یک کالای تمام‌شده و قابل فروش فاصله دارد (هریس تخمین می‌زند که نسخه فعلی برای او 5000 پوند هزینه داشته است، بنابراین جابجایی آن می‌تواند کمی دشوار باشد)، این فقط نشان می‌دهد که چاپ سه بعدی در حال حاضر در چه سطحی است و همچنین در چه سطحی است. رسیدن به جایی که شرکت‌هایی مانند Race Ware و Charge می‌خواهند بروند، طول می‌کشد.
فیل کیلبرن از 3T RPD می گوید: «کلید آینده پرینت سه بعدی درک این فرآیند است. "این کار مبلغ زیادی از طرف ما انجام شد تا مردم را به این فناوری باور کنند، به مردم آموزش دهیم که چه کارهایی می تواند انجام دهد و چه کاری نمی تواند انجام دهد." تنها زمانی که فرآیند را درک کردید، می توانید از آن بهره ببرید. هنوز کاملاً به آنجا نرسیده است، اما وقتی به آن برسد، چاپ سه بعدی منفجر می شود.»
چاپ ریز: چگونه پرینت سه بعدی واقعاً کار می کند
- همچنین ساختن در پلاستیک، 3T RPD دارای یک سری ماشین آلات است که قطعات فلزی را چاپ می کند، مانند این زنجیرگیرهای تیتانیومی که توسط Race Ware سفارش داده شده است.
- محفظه چاپگر تا 70 درجه سانتیگراد گرم می شود، قبل از اینکه یک لیزر فیبر واحد، در دمای 1000 درجه سانتیگراد کار کند، لایه های دو بعدی را در بستری از پودر تیتانیوم ردیابی کند.
- نور سفید درخشانی که می توانید ببینید نقطه لیزر نیست، بلکه نور شدیدی است که با مذاب شدن تیتانیوم پودر شده ساطع می شود.
- زنجیرگیرها در لایه‌های 20 میکرونی ساخته شده‌اند - پس از ردیابی هر لایه، قبل از اینکه لایه جدیدی از پودر پخش شود، بستر چاپگر 0.02 میلی‌متر کاهش می‌یابد.
- تخت های چاپگر فلزی بسیار کوچکتر از تخت های چاپگر پلاستیکی هستند. اما جدیدترین دستگاه‌های 3T RPD در حال حاضر 50 درصد بالاتر از دستگاه‌های قبلی خود ساخته شده‌اند.
- مشکل بزرگ بزرگتر کردن چاپگرها با لیزرهای فوکوس است. چاپگرهای فلزی کوچکتر از یک لیزر استفاده می کنند، در حالی که چاپگرهای پلاستیکی با مساحت بزرگتر باید از دو لیزر استفاده کنند.
- چاپ سه زنجیرگیر در تیتانیوم حدود چهار ساعت طول می کشد. حداکثر 50 عدد را می توان در بستر چاپگر فشرده کرد، اما زمان ساخت تا حدود 12 ساعت افزایش می یابد.
- وقتی ساخت به پایان رسید، می توان قطعات را تقریباً مانند بیرون آوردن یک سنگ از یک توده شن جدا کرد. بیشتر پودر باقیمانده بازیافت می‌شود و دوباره در ساخت بعدی قرار می‌گیرد.
