Aditivna proizvodnja - "solidna štampa"

Unutar niske zgrade u poslovnom parku u Rok Hilu, u Južnoj Karolini, je vizija fabrike budućnosti. Nekoliko tuceta mašina bruje, dok ih nadgledaju iz kontrolne sobe odvojene staklom dvoje ljudi, gledajući u kompjuterske ekrane. Neke mašine su iste veličine kao što je automobil, druge kao mikrotalasna, ali sve te mašine imaju prozore kroz koje možeš da viriš. Jedna pravi nakit, druge proizvode plastični deo bušilice za koju se ona drži, kontrolne table za automobile, sofisticirane abažure i veštačke noge koje su prilagođene potrebama korisnika. Jedna mašina čak proizvodi delove za izgradnju mašina kao što je i ona sama.

3d štampač Projekt 5000 

Ovo je sedište 3D Sistema, firme koju je osnovao Čak Hal koji je 1986. godine patentirao sistem - izmum za proizvodnju trodimenzionalnih objekata a opisao ga je kao stereolitografiju. Taj sistem je radio koristeći zrak ultraljubičastog svetla kako bi očvrsnuo tanak sloj tečne plastike, pomalo nalik na mastilo, ponavljajući proces dodavanjem više tečne plastike. Od tada su se pojavili i drugi oblici 3D štampanja ali svi oni rade kao aditivni proces, izgrađujući pedmete sloj po sloj.

3D štampanje bilo je originalno zamišljeno kao način za proizvodnju jednog prototipa, ali kako je tehnologija napredovala sve se više stvari štampaju kao finalni proizvodi (proces poznat kao aditivna proizvodnja).

Aditivna proizvodnja - 3D štampači za svašta 

Trenutno oko 28 odsto novca koji se troši na štampanje je za finalne proizvode, rekao je Teri Vohlers, koji upravlja istraživačkom firmom koja je specijalizovana u tom polju. Vohlers predviđa da će se ti troškovi povećati na skoro oko 50 odsto do 2016. godine i na više od 80 odsto do 2020. godine.

Ali nikada neće dostići 100 odsto, misli on, zato što će sposobnost proizvodnje prototipa brzo i jeftino ostati važan deo miksa.

Jedinstveni

Jedan prototip može biti užasno skup za proizvodnju, ali 3 D štampač može da obori troškove u velikoj meri. Većina potrošačke robe, mehanički delovi, obuća i arhitektonski modeli sada se pojavljuju u 3D štampačkoj formi kako bi ih procenili inženjeri, stilisti i klijenti pre nego što dobiju zeleno svetlo.

ZPrinter ® 850, za visoki obim štampe, sa većom produktivnosti i punim bojama što omogućava da dizajneri, inženjeri i arhitekte brže stvore više i većih delova

Bilo koja promena se može brzo ispraviti – aditivnim procesom - za nekoliko sati ili u toku noći, dok čekanje da novi prototip izađe iz radionice može potrajati nedeljama.

Neki dizajneri već štampaju obuću i haljine od plastike i najlojna koja je odmah spremna za nošenje. Iris van Herpen, holandski modni dizajner, proizvodi upadljive kolekcije za modnu pistu, koje su štampane uz pomoć 3D štampača. Još uvek niko ne može da štampa kožu, ali se radi na tome.

Pošto jedva da postoji ekonomija obima (smanjenje troškova usled porasta obima proizvodnje) u aditivnog proizvodnji, tehnologija je idealna za proizvodnju malog obima. Ona, takođe, u velikom obimu omogućava proizvodnju finalnih delova po meri. Milioni zubnih krunica i delova za slušne aparate se već individualno proizvode uz pomoć 3D štampača.

Oslobođena ograničenja tradicionalnih fabrika, aditivna proizvodnja omogućava dizajnerima da proizvode predmete za koje se ranije smatralo da su isuviše složeni da bi njihova proizvodnja bila isplativa. Na primer, tečnost ide mnogo efikasnije kroz okrugle kanale nego preko oštrih uglova, ali je jako teško napraviti takve kanale unutar čvrste metalne strukture tradicionalnim metodama, dok 3D štampač to čini lako.

3T RPD, britanska firma koja nudu usluge aditivne proizvodnje, odštampala je menjač brzina za trkačka kola koji ima glatke unutrašnje puteve za hidraulična ulja umesto izbušenih krivina pod pravim uglom.

Taj menjač ne samo da dozvoljava bržu promenu brzina već je i 30 odsto lakši, kaže Ijan Halidej, izvršni direktor firme.

Boing F-18 borbeni avion, iz sličnih razloga, ima određeni broj odštampanih delova kao što su, na primer, cevi za protok vazduha.

Ušteda na težini je razlog zašto su 3D odštampani proizvodi privlačni. Gradeći predmete sloj po sloj, moguće je upotrebiti taman toliko materijala koliko je potrebno da bi taj deo funkcionisao.

Proizvodnja u tradicionalnoj fabrici zahteva dodatne prirubnice i držače tako da bi se tim objektima moglo rukovati, seći i oblikovati mašinskim alatima a, takođe, su potrebni kako bi se obezbedile površine za delove koji će se zašrafiti ili zavariti. 3D štampač je pogodan za štampanje finalnog dela koji ne zahteva sklapanje. Ovaj štampač može čak odjednom da proizvodi mehaničke objekte koji imaju pokretne delove.

Sve navedeno obećava veliku uštedu materijalnih troškova. U avio industriji metalni delovi se često proizvode od jednog komada skupog titanijuma velike čistoće. To može značiti da se 90 odsto ovog materijala odbacuje i opiljci metala se ne mogu koristiti za pravljenje aviona. Međutim, prah titanijuma se može koristiti za štampanje proizvoda kao što su ramovi za vrata avona iili delovi za satelit.

Ti proizvodi mogu biti jaki kao i oni koji su proizvedeni na tradicionalan način ali se za njihovu proizvodnju iskoristi samo 10 odsto sirovina, rekli su istraživači sa EADS-a, evropskog avio konzorcijuma, roditelja Erbasa (Airbus).

Sposobnost da se proizvode visokosloženi dizajni uz pomoć moćnih kompjuterskih softvera kao i pretvaranje istih u prave objekte uz pomoć 3 D štampanja, stvara novi dizajnerski jezik. Proizvodi odštampani 3D štampačem često imaju organski, prirodni izgled.

Priroda je smislila veoma efikasne dizajne a često je dobra ideja imitirati te dizajne, kaže Vim Mihels, potpredsednik Materialise, belgijske firme koja uz pomoć aditivne proizvodnje pravi veliki asortiman proizvoda, uključujući i medicinske uređaje. Ugrađujući finu mrežastu ili rešetkastu unutrašnju strukturu prirodne kosti u metalni implant, na primer, taj implant se može napraviti lakšim nego što bi to bio kada bi se napravio mašinskim putem, bez bilo kakvih gubitaka snage, lakše se integriše sa kostima pacijenta i može se precizno izraditi kako bi odgovarao pacijentu za koga se i radi. Prošle godine hirurzi u Holandiji su odštampali novu titanijumsku vilicu za ženu koja je bolovala od hronične infekcije kosti.

Mnoge kompanije razmišljaju sada o efektima koje će aditivna proizvodnja imati na njihovo poslovanje. Neki tehnologiju shvataju veoma ozbiljno: GE (General Electric), na primer, istražuje kako može da koristi 3D štampanje u svim svojim operacijama. Ova kompanija već ima jedan proizvod u planu, u obliku malog ultrazvučnog skenera. Takve skenere koriste doktori kako bi videli sliku karateristika (izgleda) unutar tela, kao što su, na primer, nerođene bebe. Veličina, težina i troškovi imidžing konzola (uređaji koji daju sliku) su se smanjili ali sonde, koje se postavljaju na telo, ostale se uglavnom nepromenjene i sada su i najskuplji deo sistema. Sonda emituje zvuk visoke frekvencije i prima nazad odbijene signale koristeći ih da stvori sliku. Sonda sadrži sićušne piezoelektrične strukture koje su proizvedene izuzetno preciznim mikromašinskim procesom od osetljivog bloka keramičkog materijala.

GE je sada razvio aditivni sistem za štampanje sonde. Ovaj će sistem u velikoj meri smanjiti troškove proizvodnje i omogućiti da se razviju novi, jeftini prenosivi skeneri koji se neće koristiti samo u medecini već i pri inspekciji pukotina kritičnih vazduhoplovnih i industrijskih struktura.

Ponovite za mnom

Koliko ova tehnologija može napredovati? Idelčik, iz GE Globalnog istraživanja (Global Research) je zadao kompaniji visoke ciljeve: Jednog dana štampaćemo motor.

Ali određen broj proizvođača, kao što su GE i Rols-Rojs, veruju da će se pojaviti neka vrsta hibridnog sistema štampe. To znači da će 3D štampanje proizvesti okvir (oblik), time štedeći na materijalu, a onda prelaskom na tradicionalnu mašinsku proizvodnju će se postići preciznost.

Replikator, robotski sistem za brzu proizvodnju koji je izumeo Kibaman tehnolodžiz (Cybaman Technologies), britanska firma, već je blizu tome. Veličine velikog frižidera, ovaj Replikator je sposoban za subaktivnu i aditivnu proizvodnju. Koristi sistem, koji je zasnovan na laserkom odlaganju, da napravi osnovni oblik koji se finalizuje mašinskim putem. Replikator, kako i priliči njegovom imenu, takođe je sposoban za obrnuti inženjering (postupak otkrivanja tehnoloških principa uređaja, predmeta ili sistema putem temeljih analiza njegove konstrukcije, funkcije i načina rada) digitalnim skeniranjem objekta koji su smešteni unutar njega, kako bi proizveo podatke neophodne za izgradnju identične kopije.

Replikator

Replikator je onoliko blizu koliko trenutna tehnologija može da se približi teleportovanju u naučnoj fantastici. Replikator bi mogao da skenira predmet na jednom mestu i da pošalje informaciju drugoj mašini na drugoj strani sveta kako da izgradi identičnu kopiju. To znači, na primer, da hitno potrebni rezervni delovi se mogu proizvoditi na udaljenim mestima bez potrebe da se bilo šta transportuje. Čak se i delovi koji više nisu dostupni mogu replicirati, skeniranjem pokvarene mašine, virtuelnom popravkom i posle toga se može odštampati novi predmet. Postoji mogućnost da će se pojaviti digitalne biblioteke za delove i proizvode koji više nisu dostipni. Baš kao što i nastanak elektronske knige znači da knjige ne moraju da prestanu da se štampaju komponente bi uvek mogle ostati dostupne. Serviseri bi mogli da imaju prenosive 3D štampače u svojim kombijima ili bi gvožđare mogle da ponude usluge štampanja delova.

3D štampači bi, takođe, mogli biti od neprocenljve vrednosti u udaljenim oblastima. Din de Ber sa Val Tehnološkog univerziteta, nedaleko od Johanezburga, radi na projektu pod nazivom Idea2 Proizvodna labaratorija, koji koristi jeftine 3D štampače za obuku i da probudi interesovanje među studentima za dizajniranje i proizvodnju. Prilikom postavljanja slične laboratorije u jednom od satelitskih dvorišta u koledžu u Apingtonu, velikoj ruralnoj oblasti u Severnom Kejpu, njegovom timu je zafalila posebna vrsta mašinskog ključa. Umesto što bi čekali danima da im se odgovarajući alat isporuči, odštampali su ga i završili posao.

Umesto ključa taj objekat bi mogao da bude i mali plastičan deo koji bi možda mogao da popravi deo opreme u lokalnoj bolnici ili da popravi poljoprivrednu mašinu, rekao je de Ber, koji veruje da bi 3D štampači mogli da izrode novi soj mehaničkih inženjera, pogotovo u ruralnim regionima.

Neki ljudi već imaju 3D štampače kod kuće.

Nije nedostižno da se nabavi kućni 3D štampač

Industrijski 3D sistemi za štampanje koštaju od oko 15.000 dolara do više od milion dolara, rekao je Vohlers. Ali jeftinije stone mašine stvaraju potpuno novo tržište. Ovo tržište čine ljudi koji se bave određenim hobijima, uradi sam entuzijasti, kotlokrpe, pronalazači, naučnici i preduzetnici.

Neki 3D sistemi za štampanje mogu se izgraditi od pribora i mogu koristiti otvoreni softver. Ali, veliki proizvođači 3D štampača, takođe, ulaze na tržište.

3D Sistemi, koji proizvode nekoliko vrsta prototipova i industrijskih mašina, sada lansiraju niz malih potrošačkih 3D štampača, koji se zovu Kocka (Cube-Kjub), a koji mogu proizvoditi predmete kao što su igračke, šahovske figure, ukrase. Oni su se razvijali uporedo sa onlajn platformom koja se naziva Kjubifaj (Cubify) kako bi obezbedili usluge za zajednicu korisnika. Po ceni od 1.299 dolara Kocka štampa nalaganjem tankog sloja materijala iz ketridža, koji je različitih boja. Onda se transformiše u čvrstu plastiku.

Ovi štampači mogu proizvoditi delove do 5,5 inča (140 milimetara) po uobičajenom trošku materijala od 3,5 dolara.

Kvalitet ovih štampača nije kao kod industrijskih ali je dovoljno dobar za većinu ljudi. Kvalitetniji proizvodi se mogu aplovdovati na Kjubifajev onlajn štampački servis.

Nova serija nije samo u štampanju predmeta. Reč je, takođe, i o pojednstavljenju procesa izrade predmeta kao i o omogućavanju ljudima da koriste moć Interneta radi deljenja ideja. Ovo je lična revolucija proizvodnje, kaže Ejb Ričental, izvršni direktor 3D Sistema.

Sloj po sloj

Kako 3D štampači funkcionišu?

Korišćenje 3D štampača je kao štampanje pisma: klikneš na dugne za štampanje na kompjuterskom ekranu i digitalni fajl se šalje, recimo, ka inkdžet štampaču koji slaže sloj mastila na površinu parčeta papira kako bi stvorio sliku u dve dimenzije. Pri 3D štampanju, međutim, softver uzima niz digitalnih odsečaka kroz kompjuterski vođeni dizajn i onda šalje opis tih delova 3D štampaču koji neprekidno dodaje sloj po sloj sve dok ne nastane čvrst proizvod. Velika razlika je u tome što je boja koju 3D štampači koriste - ustvari materijal.

Slojevi mogu da nastanu na različite načine. Neki 3D štampači koriste inkdžet proces. Objet, izraelska 3D štampačka kompanija, koristi glavu tog štampača da bi prsnula ultra tanak sloj tečne plastike na napravljenom poslužavniku. Sloj se izlaže ultraljubičastoj svetlosti. Onda se taj poslužavnik spušta frakcionalno i dodaje se sledeći sloj. Drugi način je spajanje objekata modelovanjem, sistem koji koristi Stratasys, kompanija sa sedištem u Mineapolisu. Ovaj sistem uključuje topljenje plastike u glavu za istiskivanje da bi se taložila tanka vlakna materijala kako bi se izgradili slojevi.

Drugi sistemi upotrebljavaju prah kao štampačke materijale. Prah se može posuti u vidu tankog sloja na proizvedeni poslužavnik i učvrstiti tako što se štrcne tečni povezivač.

Može se, takođe, topiti u zahtevanom obrascu uz pomoć lasera u procesu nazvanom lasersko sinterovanje, tehnologija koju EOS, nemačka firma, koristi u svojim mašinama za aditivnu proizvodnju.

Arkam, švedska kompanija, spaja prah u svojim štampačima uz pomoć mlaza elektrona u vakumu. Ovo su neki od načina.

3d štampač Arcam A2

Za komplikovane strukture koje sadrže praznine i delove koji vise, gelovi i drugi materijali se dodaju kako bi se obezbedila podrška, ili se taj prostor može ostaviti popunjen prahom koji se nije spojio. Ovaj materijal za podršku može se kasnije isprati ili oduvati. Materijali koji se sada mogu štampati se kreću od različitih plastika do metala, keramike i supstanci koje liče na gumu. Neke mašine mogu da kombinuju materijale, čineći da proizvod sa jedne strane bude krut a s druge mek.

Neki istraživači već koriste 3D štampače kako bi proizveli jednostavna živa tkiva, kao što su koža, mišići i delovi krvnih sudova.

Postoji verovatnoća da bi veliki delovi tela, kao što su bubrezi, jetra pa čak i srce jednog dana mogli biti odštampani – i ako bi bio-štampači mogli da koriste pacijentove matične ćelije, biće manja verovatnoća da će njegovo telo odbaciti odštampani organ nakon transplantacije.

Hrana se, takođe, može štampati. Istraživači sa Univerziteta Kornel već su uspeli da odštampaju kopkejkove (kolačiće). Aplikacija koja bi bila najpoželjnija a tiče se hrane, gotovi se svi slažu, bi bila ona koja bi štampala čokoladu.