Självreplikerande skrivare som skapar objekt från datorritningar? Inte science fiction, men en verklighet som kommer att revolutionera tillverkningen
Även om du kanske inte tror det, var 1986 ett avgörande år. Avregleringen av Londonbörsen förändrade vårt sätt att tänka på pengar; Tjernobyl förändrade vårt sätt att tänka på kärnkraft; Top Gun förändrade vårt sätt att tänka på filmljudspår, och för dem som är noga uppmärksamma ändrade en amerikansk gentleman vid namn Chuck Hull vårt sätt att tänka på tillverkning.
Det året den 11 mars (kanske ungefär en miljon dagar sedan det traditionella grundandet av Rom), utfärdades Hull med USA-patent nummer 4 575 330: "Apparat för produktion av tredimensionella objekt genom stereolitografi". Och så föddes 3D-skrivaren.
‘Chuck Hull var killen som startade allt, säger Phil Kilburn, försäljningschef på 3D-utskriftsföretaget 3T RPD. Han arbetade för Xerox vid den tiden och kom på idén att lägga bläck ovanpå varandra för att skapa en solid tredimensionell modell. Han tog denna process och startade det första 3D-utskriftsföretaget, 3D Systems.’
I början
Hulls ursprungliga 3D-skrivare använde ett ultraviolett ljus för att rita en tvådimensionell form över ytan av ett kärl av flytande fotopolymer, ett ämne som blir fast när det utsätts för ultravioletta strålar. Denna process sker om och om igen och bygger upp 2D-lager för att skapa ett 3D-objekt. Även om processerna och materialen som används i 3D-skrivare har kommit långt sedan dess, är grunderna desamma.
‘Maskinerna vi använder nu använder laser, säger 3T RPD:s IT-chef Martyn Harris. "Processen är extremt smart, men i sin grundläggande form är den väldigt enkel: ta lite pulver och smält det. Så i våra maskiner har du en bädd av pulveriserat material, till exempel nylon, som värms upp i skrivarens kammare till strax under dess smältpunkt. Lasrar spårar sedan tvådimensionella tvärsnitt av komponenten du vill producera över pulvret, och smälter ett 2D-lager varje gång. När ett lager har spårats faller skrivarens bädd ned med, låt oss säga, 120 mikron [0,12 mm], sedan sprider en ombeläggningsarm ytterligare ett lager av pulveriserat material över toppen och processen börjar igen, med lasrarna som spårar ut nästa lager.'
Denna process bygger på metoden "sintring", där atomerna i ett pulvers partiklar vid höga temperaturer diffunderar in i varandra och blir en fast bit. Men det räcker inte att bara rikta en laser mot plast och förvänta sig att ett användbart föremål kommer fram.
‘Det du gör först är att göra en 3D CAD-modell [datorstödd design] av det du vill göra”, säger Harris."Sedan, med hjälp av skräddarsydd programvara, packar du modellerna i ett virtuellt 3D-utrymme som speglar storleken på skrivarbädden. Därifrån sparar du alla dina filer i STL – stereolitografi eller triangulerade filer – och när du har filerna redo skär du i princip alla i vilken tjocklek du än bygger. Alla dessa skivade filer skickas till datorn som styr skrivaren och sedan är det bara att trycka på go, så skriver skrivaren ut det. Ironiskt nog är många av delarna av dessa skrivare tryckta på andra skrivare här, så de har blivit självupprepande.’
Harris har varit involverad i 3T RPD de senaste 13 åren och har senast grundat Race Ware, ett cykelkomponentföretag som tillverkar sina produkter – från Garmin-fästen i plast till kedjefångare i titan – med hjälp av 3T RPD:s skrivare.
‘Jag kom in i det här eftersom jag kör en SRM och har ett par Easton TT-stänger, säger Harris. När jag letade efter ett stångfäste var allt jag kunde hitta något hemskt adapterkit, så jag tänkte att jag skulle göra ett eget. Jag tänkte att om jag gjorde en åt mig skulle jag se om någon annan också ville ha en, så jag gick in på ett TT-forum och frågade runt. Den här killen som heter Jason Swann sa att han ville ha en Garmin, och han var en CAD-designer så han gav mig designen. Det tog oss bara tre eller fyra månader att komma från den första iterationen till den version vi nu säljer.’
Som Harris indikerar är en av de viktigaste framstegen som kommer med 3D-tillverkning hastigheten och lättheten med vilken produkter kan produceras och finslipas. Den övergripande processen från ritbräda till färdig artikel är exceptionellt snabb jämfört med mer traditionella metoder – även om byggtiden kan ta allt från några timmar till ungefär en vecka, beroende på komplexiteten och antalet produkter som skrivs ut.
‘Till skillnad från andra tillverkningsprocesser, som formsprutning, finns det inga verktyg med 3D-utskrift, säger Harris. "Allt jag behöver göra är att skapa CAD-modellen, göra några testkörningar, göra några justeringar och sedan när jag är nöjd med den, börja skriva ut. Folk har svårt att få huvudet runt det. De frågar vad ledtiden är och jag kan svara: "Två eller tre veckor", medan de är vana vid att någon säger: "Det kommer att vara klart kvart fyra nästa år."'
Snabb prototypframställning
Naturligtvis är 3T RPD och Race Ware inte ensamma; Det finns andra tillverkare och industrier som för närvarande skördar fördelarna med 3D-utskrift och vill flytta gränserna ännu längre. Audi använde 3D-utskriftsrobotar för att skapa konceptbilen RSQ som dök upp i filmen I, Robot; Formel 1-team som Sauber använder 3D-tryckta bromskanaler på sina bilar, och senast meddelade den holländska arkitektfirman Dus Architects planer på att 3D-printa ett helt hus. Så, om allt detta är genomförbart (huset påstås byggas i delar på en sex meter hög skrivare som heter "KarmerMaker"), vad kan konsekvenserna för cyklarna själva vara? En man som tror sig veta är chef för forskning och utveckling på Ridley bikes, Dirk Van den Berk.
‘Vi har skrivit ut små prototypkomponenter de senaste två eller tre åren, som bromsen till Noah Fast-gaffeln, säger Van den Berk. "Men för första gången i år [2013] har vi tryckt en hel ram som en del av utvecklingen av vår nya version av Dean TT-cykeln. Den är inte tillräckligt stark för att ridas eller stresstestas, men den är utmärkt för flygtester i vindtunneln och monteringstestning, där vi kan bygga upp den med riktiga komponenter för att se att allt passar.’
Som med Race Ware, ger denna speciella typ av 3D-utskrift – känd som snabb prototyping – Ridley att göra ändringar snabbt och billigt. Dekanus började med rörformer för att testa i tunneln. Sedan byggde vi kompletta ramar. Vi testar dessa, utvärderar och går sedan tillbaka och gör små ändringar. Det är det fantastiska – små förändringar kan göras väldigt snabbt. Du behöver bara trycka på en knapp och vänta på att skrivaren slutar skriva ut.
‘Tidigare använde du datorer och programvara för att skapa en ram, upp till den punkt där du ger grönt ljus och ramtillverkarna börjar skära formarna. Även om 3D-utskrift inte är billig teknik, är det säkert billigare än att öppna en form, se något fel med ramen och behöva börja om, tillägger Van de Berk.
Så, om företag som 3T RPD kan skriva ut i metall och tillverkare som Ridley redan skriver ut hela prototypcykelramar, varför kan vi inte sätta ihop de två och börja skriva ut åkbara cyklar?
‘För en komplett ram är det ganska svårt på grund av hur en ram belastas under körning, förklarar Van den Berk. Det är en komplex struktur som måste kunna hantera alla typer av påfrestningar och påfrestningar. Med kol är sättet du skapar skikten som gör en ram stark eller styv i en viss riktning. Med utskrift är det mycket svårare att kontrollera egenskaperna för
materialet och det är det som gör ramproduktionen svår. Men det går verkligen i den riktningen.’
Skadriftsfördelar
Tillbaka över kanalen i Bristol finns det ett företag för vilket verkligheten med 3D-tryckta ramar kommer allt närmare – åtminstone delvis.
Charge Bikes har arbetat med EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) för att skapa de första produktionstryckta dropouts. Tillverkad av Ti6Al4V titan, skrivs utsläppen ut på EADS:s anläggning innan de skickas till Taiwan för att svetsas in i Charges fryscrosscyklar. Men även om EN-tester och en ansträngande åtta månader under Charge proffsryttaren Chris Metcalfe har visat att avhoppen är lika framgångsrika som sina CNC-kusiner, är de, och processen de är en del av, inte utan begränsningar.
Charge's Neil Cousins säger: För närvarande lägger de utskrivna bortfallen till 20 % till kostnaden för en standardfrysram, delvis eftersom varje konstruktion endast kan ge maxim alt 50 bortfall på grund av storleken på skrivaren. Vi är också begränsade med antalet skrivare där ute – för närvarande har bara tre andra företag i Storbritannien dem – och den expertis och kompetens som behövs för att använda dem.’
Cusins påpekar att det inte finns någon anledning till att kostnaderna för att tillverka sådana delar i framtiden inte kan sjunka när maskinstorlekar och antal ökar, men för närvarande är han realistisk om vart tekniken är på väg: Vi är kommer alltid med planer på delar och har precis anställt en ny industridesigner här. En sak att komma ihåg är att många av delarna kommer att vara så dyra att vi måste vara försiktiga så att vi inte gör något som kommer att sitta på våra distributörers hyllor i flera år. Som sagt, många av de stora aktörerna inom cykelbranschen har varit i kontakt med oss och EADS för att få mer information om tekniken, och på kortare sikt kan jag lätt se att 3D-utskrift används för att tillverka komponenter som nav, mekaniker och kassetter.'
Race Wares Martyn Harris kan mycket väl vara ett steg före, efter att ha samarbetat med aerodynamisk guru Simon Smart för att göra en titanstam. Även om det långt ifrån är ett färdigt, säljbart föremål (Harris uppskattar att den nuvarande versionen har kostat honom 5 000 pund, så att byta en kan vara lite svårt), tjänar det bara till att bevisa vilken nivå 3D-utskrift är för närvarande på, och även vilken det kommer att ta att komma dit företag som Race Ware och Charge skulle vilja gå.
'Nyckeln till 3D-utskrifts framtid är att förstå processen, säger Phil Kilburn från 3T RPD. Det har krävts mycket missionsarbete från vår sida för att få människor att tro på tekniken, att utbilda människor om vad den kan och inte kan göra. Först när du har förstått processen kan du dra nytta av den. Den har inte riktigt kommit dit än, men när den gör det kommer 3D-utskrift att explodera.’
Det finstilta: Hur 3D-utskrift faktiskt fungerar
- Förutom att bygga i plast har 3T RPD en serie maskiner som trycker metalldelar, som dessa kedjefångare av titan som beställts av Race Ware.
- Skrivarkammaren värms upp till 70°C, innan en enkelfiberlaser, som arbetar vid 1 000°C+, spårar ut de tvådimensionella skikten i en bädd av titanpulver.
- Det starka vita ljuset du kan se är inte laserns punkt, utan snarare ett intensivt ljus som sänds ut när det pulveriserade titanet smälter.
- Kedjefångarna är byggda i 20 mikron lager – efter att varje lager har spårats ut sjunker skrivarbädden med 0,02 mm innan ett nytt lager pulver sprids ut.
- Sängar för skrivare i metall tenderar att vara mycket mindre än skrivarsängar i plast. Men den senaste av 3T RPD:s maskiner bygger redan 50 % högre än sina föregångare.
- Det stora problemet med att göra skrivare större kommer med fokuslasrar. De mindre metallskrivarna använder en enda laser, medan de större plastskrivarna måste använda två.
- Tryckning av tre kedjefångare i titan tar cirka fyra timmar. Upp till 50 kan pressas in i skrivarbädden, men byggtiden kommer att öka till cirka 12 timmar.
- När bygget är klart kan delarna tas bort nästan som att hämta en sten från en sandhög. Mycket av det överblivna pulvret återvinns och sätts tillbaka i nästa konstruktion.
