מדפסות משכפלות עצמיות היוצרות אובייקטים מציורי מחשב? לא מדע בדיוני, אלא מציאות שעומדת לחולל מהפכה בייצור
למרות שאולי לא חושבים על זה, 1986 הייתה שנה מרכזית. הסרת הרגולציה של הבורסה לניירות ערך בלונדון שינתה את הדרך שבה חשבנו על כסף; צ'רנוביל שינתה את הדרך בה חשבנו על כוח גרעיני; טופ גאן שינתה את הדרך שבה חשבנו על פסקול סרטים, ולמי ששם לב, ג'נטלמן אמריקאי בשם צ'אק האל שינה את הדרך שבה חשבנו על ייצור.
באותה שנה ב-11 במרץ (אולי בערך מיליון ימים מאז הקמתה המסורתית של רומא), הונפק להאל פטנט אמריקאי מספר 4, 575, 330: 'מכשיר לייצור אובייקטים תלת מימדיים באמצעות סטריאוליתוגרפיה'. וכך נולדה מדפסת התלת מימד.
'צ'אק האל היה הבחור שהתחיל הכל', אומר פיל קילבורן, מנהל מכירות בחברת ההדפסה התלת-ממדית 3T RPD. הוא עבד בזירוקס בזמנו, והגה את הרעיון להניח דיו זה על גבי זה כדי ליצור מודל תלת מימדי מוצק. הוא לקח את התהליך הזה והקים את חברת ההדפסה התלת מימדית הראשונה, 3D Systems.'
בהתחלה
מדפסת התלת-ממד המקורית של האל השתמשה באור אולטרה-סגול כדי לצייר צורה דו-ממדית על פני השטח של בור של פוטפולימר נוזלי, חומר שהופך למוצק כאשר הוא נחשף לקרניים אולטרה-סגולות. תהליך זה קורה שוב ושוב, בונה שכבות דו-ממדיות ליצירת אובייקט תלת-ממדי. בעוד שהתהליכים והחומרים המשמשים במדפסות תלת-ממד עברו כברת דרך מאז, היסודות נשארים זהים.
'המכונות שבהן אנו משתמשים כעת משתמשות בלייזרים", אומר מרטין האריס, מנהל ה-IT של 3T RPD. "התהליך הוא חכם ביותר, אבל בצורתו הבסיסית הוא פשוט מאוד: קח אבקה והמיס אותה.אז במכונות שלנו יש לך מצע של אבקת חומר, למשל ניילון, אשר מחומם בתא המדפסת עד ממש מתחת לנקודת ההיתוך שלו. לאחר מכן, הלייזרים עוקבים אחר חתכים דו-ממדיים של הרכיב שברצונך לייצר מעל האבקה, וממיסים שכבה דו-ממדית בכל פעם. לאחר מעקב אחר שכבה, מיטת המדפסת יורדת ב-120 מיקרון [0.12 מ"מ], ואז זרוע ציפוי מחדש מורחת שכבה נוספת של חומר אבקה מעל והתהליך מתחיל שוב, כשהלייזרים מתחקים לצאת מהשכבה הבאה.'
תהליך זה מבוסס על שיטת 'הסינטור', שבה בטמפרטורות גבוהות האטומים בחלקיקי האבקה מתפזרים זה לתוך זה והופכים לחתיכה מוצקה. אבל זה לא מספיק רק לכוון לייזר לעבר איזה פלסטיק ולצפות שיגיח חפץ שימושי.
'מה שאתה עושה קודם זה ליצור מודל 3D CAD [עיצוב בעזרת מחשב] של מה שאתה רוצה לעשות,' אומר האריס."לאחר מכן, באמצעות תוכנה מותאמת אישית, אתה אורז את הדגמים לחלל תלת מימדי וירטואלי המשקף את גודל מיטת המדפסת. משם אתה שומר את כל הקבצים שלך ב-STL - סטריאוליטוגרפיה, או קבצים משולשים - וכאשר יש לך את הקבצים מוכנים אתה בעצם פורס את כולם לכל עובי שאתה בונה. כל הקבצים החתוכים האלה נשלחים למחשב ששולט במדפסת ואז זה רק מקרה של לחיצה על go, והמדפסת תדפיס את זה. למרבה האירוניה, הרבה מהחלקים של המדפסות האלה מודפסים במדפסות אחרות כאן, אז הם הפכו להיות חוזרים על עצמם.'
האריס הייתה מעורבת ב-3T RPD ב-13 השנים האחרונות, ולאחרונה הקימה את Race Ware, חברת רכיבי אופניים שמייצרת את מוצריה – מתליית Garmin מפלסטיק ועד לוכדי שרשרת טיטניום – באמצעות המדפסות של 3T RPD.
'נכנסתי לזה כי אני מפעיל SRM ויש לי זוג ברים של Easton TT', אומר האריס. כשהלכתי לחפש תושבת בר, כל מה שמצאתי היה ערכת מתאם נוראית, אז חשבתי להכין בעצמי.הבנתי שאם אני מכין אחד בשבילי, אראה אם מישהו אחר רוצה גם, אז נכנסתי לפורום TT ושאלתי. הבחור הזה שנקרא ג'ייסון סוואן אמר שהוא רוצה אחד של Garmin, והוא היה מעצב CAD אז הוא נתן לי את העיצוב. לקח לנו רק שלושה או ארבעה חודשים להגיע מהאיטרציה הראשונה לגרסה שאנו מוכרים כעת.'
כפי שהאריס מציין, אחת ההתקדמות המרכזיות שמגיעות עם ייצור תלת מימד היא המהירות והקלות שבה ניתן לייצר ולחדד מוצרים. התהליך הכולל מלוח השרטוט ועד למאמר מוגמר מהיר במיוחד בהשוואה לשיטות מסורתיות יותר - אם כי זמני הבנייה יכולים להימשך בין מספר שעות לשבוע, תלוי במורכבות ובמספר המוצרים המודפסים.
'בניגוד לתהליכי ייצור אחרים, כמו הזרקה, עם הדפסה תלת-ממדית אין כלים', אומר האריס. "כל מה שאני צריך לעשות זה ליצור את מודל ה-CAD, לבצע כמה ריצות מבחן, לבצע כמה שינויים ואז כשאני מרוצה ממנו, להתחיל להדפיס.לאנשים קשה להסתיר את הראש. הם שואלים מה זמן ההובלה ואני יכול להשיב, "שבועיים או שלושה", בעוד שהם רגילים שמישהו אומר, "זה יהיה מוכן ברבע ארבע של השנה הבאה."'
פרוטוטיפוס מהיר
כמובן ש-3T RPD ו-Race Ware אינם לבד; ישנם יצרנים ותעשיות אחרות הקוצרות כיום את היתרונות של הדפסת תלת מימד ומחפשות לדחוף את הגבולות עוד יותר. אאודי השתמשה ברובוטים להדפסה תלת מימדית כדי ליצור את מכונית הקונספט RSQ שהופיעה בסרט I, Robot; צוותי פורמולה 1 כמו סאובר משתמשים בתעלות בלמים מודפסות בתלת מימד על המכוניות שלהם, ולאחרונה, חברת האדריכלים ההולנדית Dus Architects הודיעה על תוכניות להדפיס בתלת מימד בית שלם. אז, אם כל זה אפשרי (הבית ייבנה לכאורה בחלקים במדפסת בגובה שישה מטרים בשם 'KarmerMaker'), מה עשויות להיות ההשלכות על האופניים עצמם? אדם אחד שחושב שהוא מכיר הוא ראש מחלקת המחקר והפיתוח של אופני רידלי, דירק ואן דן ברק.
'הדפיסנו רכיבי אב-טיפוס קטנים בשנתיים-שלוש האחרונות, כמו הבלם למזלג נוח מהיר', אומר ואן דן ברק. "אבל בפעם הראשונה השנה [2013] הדפסנו מסגרת שלמה כחלק מפיתוח הגרסה החדשה שלנו לאופני Dean TT. זה לא מספיק חזק לרכיבה או לבדיקת מאמץ, אבל זה מצוין לבדיקות אוויריות במנהרת הרוח ולבדיקות הרכבה, שם נוכל לבנות אותו עם רכיבים אמיתיים כדי לראות שהכל מתאים.'
כמו ב-Race Ware, הסוג המסוים הזה של הדפסה תלת-ממדית – המכונה אב טיפוס מהיר – מאפשר לרידלי לבצע שינויים במהירות ובזול. הדיקן התחיל עם צורות צינורות לבדיקה במנהרה. אחר כך בנינו מסגרות שלמות. אנחנו בודקים אותם, מעריכים, ואז חוזרים ומבצעים שינויים קטנים. זה הדבר הגדול - ניתן לבצע שינויים קטנים מהר מאוד. אתה רק צריך ללחוץ על כפתור ולחכות עד שהמדפסת תפסיק להדפיס.
'בעבר היית משתמש במחשבים ובתוכנה כדי ליצור מסגרת, עד לנקודה שבה אתה נותן אור ירוק ויצרני המסגרת מתחילים לחתוך את התבניות. אמנם הדפסת תלת מימד היא לא טכנולוגיה זולה, אבל היא בהחלט זולה יותר מלפתוח תבנית, לראות משהו לא בסדר עם המסגרת וצריך להתחיל מחדש', מוסיף ואן דה ברק.
אז, אם חברות כמו 3T RPD יכולות להדפיס במתכת ויצרנים כמו רידלי כבר מדפיסים מסגרות שלמות של אב-טיפוס לאופניים, למה לא נוכל לחבר את שניהם יחד ולהתחיל להדפיס אופניים ניתנים לרכיבה?
'עבור מסגרת שלמה זה די קשה בגלל האופן שבו המסגרת מועמסת במהלך הרכיבה,' מסביר ואן דן ברק. זה מבנה מורכב שצריך להיות מסוגל להתמודד עם כל מיני לחצים ומתחים. עם קרבון, הדרך שבה אתה יוצר את השכבות היא מה שהופך את המסגרת לחזקה או נוקשה בכיוון מסוים. עם הדפסה הרבה יותר קשה לשלוט במאפיינים של
החומר וזה מה שהופך את ייצור המסגרת לקשה. עם זאת, הדברים בהחלט הולכים בכיוון הזה.'
כלכלת קנה מידה
בחזרה לערוץ בבריסטול, יש חברה אחת שעבורה המציאות של מסגרות מודפסות בתלת-ממד הולכת ומתקרבת - לפחות חלקית.
Charge Bikes עבדה עם EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) כדי ליצור את הנשירה הראשונה שהודפסה בייצור. עשויות מטיטניום Ti6Al4V, הנושרים מודפסים במתקן של EADS לפני משלוחים לטייוואן כדי להיות מרותכים לאופני הקרוס המקפיאים של Charge. עם זאת, בעוד שבדיקות EN ושמונה חודשים מפרכים תחת רוכב המקצוען Charge, כריס מטקאלף, הראו שהנושרים מצליחים באותה מידה כמו בני הדודים שלהם ב-CNC, הם, והתהליך שהם חלק ממנו, אינם חסרי מגבלות.
Neil Cousins של Charge אומר, 'נכון לעכשיו, הנשירה המודפסת מוסיפה 20% לעלות של מסגרת מקפיא סטנדרטית, בין השאר משום שכל מבנה יכול לייצר מקסימום 50 נשירות בשל גודל המדפסת.אנחנו גם מוגבלים עם מספר המדפסות שם בחוץ - נכון לעכשיו יש אותן רק שלוש חברות אחרות בבריטניה - והמומחיות והכישורים הדרושים כדי להשתמש בהן.'
Casins מציין שאין שום סיבה שבעתיד העלות של ייצור חלקים כאלה לא תוכל לרדת ככל שגדלים ומספרי המכונות גדלים, אבל לעת עתה הוא מציאותי לגבי לאן מועדת הטכנולוגיה: אנחנו נמצאים תמיד מעלה תוכניות לחלקים ושכרנו כאן מעצב תעשייתי חדש. דבר אחד שצריך לזכור הוא שהרבה מהחלקים יהיו כל כך יקרים שאנחנו צריכים להיזהר לא לעשות משהו שיישב על המדפים של המפיצים שלנו במשך שנים. עם זאת, הרבה מהשחקנים הגדולים בתעשיית האופניים היו בקשר איתנו ועם EADS כדי לקבל מידע נוסף על הטכנולוגיה, ובטווח הקצר יותר אני יכול לראות בקלות הדפסת תלת מימד משמשת לייצור רכיבים כמו רכזות, מכונות וקסטות.'
מרטין האריס מ-Race Ware עשוי בהחלט להיות צעד אחד קדימה, לאחר ששיתף פעולה עם הגורו האווירודינמי סיימון סמארט כדי ליצור גזע טיטניום.אמנם רחוק מלהיות פריט מוגמר וניתן למכירה (האריס מעריך שהגרסה הנוכחית עלתה לו 5,000 ליש ט, כך שהחלפת אחד עלולה להיות קצת קשה), אבל זה רק מוכיח באיזו רמה נמצאת כרגע הדפסת תלת מימד, וגם מהי ייקח להגיע לאן שחברות כמו Race Ware ו-Charge ירצו להגיע.
'המפתח לעתיד של הדפסת תלת מימד הוא הבנת התהליך', אומר פיל קילבורן מ-3T RPD. נדרש הרבה עבודה מיסיונרית מצידנו כדי לגרום לאנשים להאמין בטכנולוגיה, ללמד אנשים מה היא יכולה ומה לא יכולה לעשות. רק לאחר שהבנת את התהליך תוכל לנצל אותו. זה עדיין לא ממש הגיע לשם, אבל כשזה יגיע, הדפסת תלת מימד עומדת להתפוצץ.'
האותיות הקטנות: איך הדפסת תלת מימד עובדת באמת
- בנוסף לבנייה מפלסטיק, ל-3T RPD יש סדרה של מכונות שמדפיסות חלקי מתכת, כמו לוכדי שרשרת טיטניום שהוזמנו על ידי Race Ware.
- תא המדפסת מחומם ל-70°C, לפני שלייזר סיב יחיד, הפועל ב-1,000°C+, מתחקה אחר השכבות הדו-ממדיות במצע של אבקת טיטניום.
- האור הלבן הבוהק שאתה יכול לראות אינו הנקודה של הלייזר, אלא אור עז שנפלט כאשר אבקת הטיטניום הופך מותך.
- לוכדי השרשרת בנויים בשכבות של 20 מיקרון - לאחר מעקב אחר כל שכבה, מיטת המדפסת יורדת ב-0.02 מ"מ לפני שפורסת שכבה חדשה של אבקה.
- מיטות מדפסת מתכת נוטות להיות קטנות בהרבה ממיטות פלסטיק למדפסות. אבל המכונות העדכניות ביותר של 3T RPD כבר בנויות גבוהות ב-50% מקודמותיהן.
- הבעיה הגדולה בהגדלת המדפסות מגיעה עם מיקוד לייזרים. מדפסות המתכת הקטנות יותר משתמשות בלייזר יחיד, ואילו מדפסות הפלסטיק הגדולות יותר חייבות להשתמש בשתי.
- הדפסת שלושה לוכדי שרשרת בטיטניום אורכת כארבע שעות. ניתן לסחוט עד 50 למיטה של המדפסת, אך זמן הבנייה יגדל לכ-12 שעות.
- כאשר הבנייה מסתיימת, ניתן להסיר את החלקים כמעט כמו שליפת אבן מערימת חול. חלק גדול מהאבקה שנותרה ממוחזר ומוחזר למבנה הבא.
