Máy in tự sao chép tạo ra các đối tượng từ bản vẽ máy tính? Không phải khoa học viễn tưởng, mà là một thực tế được thiết lập để cách mạng hóa ngành sản xuất
Mặc dù bạn có thể không nghĩ, nhưng 1986 là một năm bản lề. Việc bãi bỏ quy định của Sở giao dịch chứng khoán London đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về tiền; Chernobyl đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về năng lượng hạt nhân; Top Gun đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về nhạc phim và, đối với những người chú ý cẩn thận, một quý ông người Mỹ tên là Chuck Hull đã thay đổi cách chúng ta nghĩ về sản xuất.
Năm đó vào ngày 11 tháng 3 (có lẽ một triệu ngày lịch sự kể từ ngày thành lập La Mã truyền thống), Hull đã được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4, 575, 330: "Thiết bị sản xuất vật thể ba chiều bằng kỹ thuật lập thể". Và thế là máy in 3D ra đời.
‘Chuck Hull là người đã bắt đầu tất cả,’ Phil Kilburn, giám đốc bán hàng tại công ty in 3D 3T RPD cho biết. “Lúc đó anh ấy đang làm việc cho Xerox và nảy ra ý tưởng đặt các loại mực chồng lên nhau để tạo ra một mô hình ba chiều chắc chắn. Anh ấy đã thực hiện quá trình này và thành lập công ty in 3D đầu tiên, 3D Systems.’
Vào đầu
Máy in 3D ban đầu củaHull đã sử dụng tia cực tím để vẽ hình dạng hai chiều trên bề mặt của thùng chứa photopolyme lỏng, một chất chuyển thành thể rắn khi tiếp xúc với tia cực tím. Quá trình này diễn ra lặp đi lặp lại, xây dựng các lớp 2D để tạo ra một đối tượng 3D. Mặc dù các quy trình và vật liệu được sử dụng trong máy in 3D kể từ đó đã trải qua một chặng đường dài, nhưng tính năng thô sơ vẫn như cũ.
‘Các máy chúng tôi sử dụng hiện nay đều sử dụng tia laser,” giám đốc CNTT của 3T RPD, Martyn Harris cho biết. "Quá trình này cực kỳ thông minh, nhưng ở dạng cơ bản, nó rất đơn giản: lấy một ít bột và làm tan chảy nó. Vì vậy, trong máy của chúng tôi, bạn có một lớp vật liệu dạng bột, ví dụ như nylon, được làm nóng trong buồng của máy in xuống ngay dưới điểm nóng chảy của nó. Sau đó, tia laser sẽ vạch mặt cắt ngang hai chiều của thành phần bạn muốn tạo ra trên bột, làm tan chảy một lớp 2D mỗi lần. Sau khi một lớp được theo dõi, đáy của máy in giảm xuống, giả sử là 120 microns [0,12mm], sau đó một cánh tay coater lại trải một lớp vật liệu dạng bột khác lên trên và quá trình bắt đầu lại, với các tia laser ra lớp tiếp theo. '
Quá trình này được dự đoán dựa trên phương pháp 'thiêu kết', trong đó ở nhiệt độ cao, các nguyên tử trong các hạt bột khuếch tán vào nhau và trở thành một mảnh rắn. Nhưng chỉ nhắm tia laser vào một số loại nhựa và mong đợi một vật thể hữu ích sẽ xuất hiện là chưa đủ.
‘Điều bạn làm trước tiên là tạo một mô hình 3D CAD [thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính] về những gì bạn muốn tạo ra,” Harris nói.‘Sau đó, sử dụng phần mềm đặt riêng, bạn đóng gói các mô hình vào một không gian 3D ảo phản chiếu kích thước của giường máy in. Từ đó, bạn lưu tất cả các tệp của mình trong STL - ảnh lập thể hoặc tệp tam giác - và khi bạn đã chuẩn bị xong các tệp, về cơ bản, bạn sẽ cắt tất cả chúng thành bất kỳ độ dày nào bạn đang xây dựng. Tất cả các tệp cắt lát đó sẽ được gửi đến máy tính điều khiển máy in và sau đó chỉ cần nhấn go và máy in sẽ in nó. Trớ trêu thay, rất nhiều bộ phận của các máy in này được in trên các máy in khác ở đây, vì vậy chúng trở nên tự lặp lại.’
Harris đã gắn bó với 3T RPD trong 13 năm qua và gần đây nhất, đã thành lập Race Ware, một công ty sản xuất linh kiện xe đạp chuyên sản xuất các sản phẩm của mình - từ giá đỡ Garmin bằng nhựa đến bộ bắt xích bằng titan - sử dụng máy in của 3T RPD.
‘Tôi tham gia vào việc này vì tôi chạy một SRM và có một cặp thanh Easton TT,” Harris nói. 'Khi tôi đi tìm một giá treo thanh, tất cả những gì tôi có thể tìm thấy là một bộ điều hợp khủng khiếp nào đó, vì vậy tôi nghĩ rằng tôi sẽ tự làm. Tôi nghĩ rằng nếu tôi làm một cái cho tôi, tôi sẽ xem có ai khác muốn một cái hay không, vì vậy tôi đã lên diễn đàn TT và hỏi xung quanh. Anh chàng tên là Jason Swann này nói rằng anh ấy muốn có một chiếc Garmin, và anh ấy là một nhà thiết kế CAD nên anh ấy đã đưa cho tôi bản thiết kế. Chúng tôi chỉ mất ba hoặc bốn tháng để chuyển từ lần lặp đầu tiên sang phiên bản hiện chúng tôi đang bán.’
Như Harris đã chỉ ra, một trong những tiến bộ quan trọng đi kèm với sản xuất 3D là tốc độ và sự dễ dàng mà các sản phẩm có thể được sản xuất và mài dũa. Quá trình tổng thể từ bảng vẽ đến thành phẩm đặc biệt nhanh so với các phương pháp truyền thống khác - mặc dù thời gian xây dựng có thể mất từ vài giờ đến khoảng một tuần, tùy thuộc vào độ phức tạp và số lượng sản phẩm được in.
‘Không giống như các quy trình sản xuất khác, chẳng hạn như ép phun, với in 3D không có công cụ,” Harris nói. ‘Tất cả những gì tôi cần làm là tạo mô hình CAD, chạy thử một vài lần, thực hiện một vài chỉnh sửa và sau đó khi tôi hài lòng với nó, hãy bắt đầu in. Mọi người cảm thấy rất khó để có được đầu của họ xung quanh nó. Họ hỏi thời gian dẫn đầu là bao nhiêu và tôi có thể trả lời, "Hai hoặc ba tuần", trong khi họ đã quen với ai đó nói: "Sẽ sẵn sàng vào quý 4 năm sau." '
Tạo mẫu nhanh
Tất nhiên 3T RPD và Race Ware không đơn độc; có những nhà sản xuất và ngành công nghiệp khác hiện đang gặt hái được những lợi ích của in 3D và đang tìm cách thúc đẩy ranh giới hơn bao giờ hết. Audi đã sử dụng robot in 3D để tạo ra mẫu xe ý tưởng RSQ xuất hiện trong bộ phim I, Robot; Các đội đua Công thức một như Sauber sử dụng ống dẫn phanh in 3D trên xe của họ, và gần đây nhất, công ty kiến trúc Hà Lan Dus Architects đã công bố kế hoạch in 3D toàn bộ một ngôi nhà. Vì vậy, nếu tất cả những điều này là khả thi (ngôi nhà được cho là sẽ được xây dựng thành các bộ phận trên một máy in cao sáu mét có tên là ‘KarmerMaker’), thì tác động của chính những chiếc xe đạp có thể là gì? Một người đàn ông nghĩ rằng anh ta biết là người đứng đầu nghiên cứu và phát triển của xe đạp Ridley, Dirk Van den Berk.
‘Chúng tôi đã in các thành phần nguyên mẫu nhỏ trong hai hoặc ba năm qua, chẳng hạn như phanh cho phuộc Noah Fast,” Van den Berk nói. ‘Nhưng lần đầu tiên trong năm nay [2013] chúng tôi đã in toàn bộ khung xe như một phần của quá trình phát triển phiên bản mới của xe đạp Dean TT. Nó không đủ mạnh để lái hoặc thử nghiệm căng thẳng, nhưng nó rất tốt để thử nghiệm hàng không trong đường hầm gió và thử nghiệm lắp ráp, nơi chúng tôi có thể xây dựng nó với các thành phần thực tế để thấy rằng mọi thứ đều phù hợp.’
Cũng như Race Ware, kiểu in 3D đặc biệt này - được gọi là tạo mẫu nhanh - cho phép Ridley thực hiện các thay đổi một cách nhanh chóng và rẻ. ‘Trưởng khoa bắt đầu với các hình dạng ống để thử nghiệm trong đường hầm. Sau đó, chúng tôi xây dựng khung hoàn chỉnh. Chúng tôi kiểm tra những điều này, đánh giá, sau đó quay lại và thực hiện những thay đổi nhỏ. Đó là điều tuyệt vời - những thay đổi nhỏ có thể được thực hiện rất nhanh. Bạn chỉ cần nhấn một nút và đợi máy in ngừng in.
‘Trước đây, bạn sẽ sử dụng máy tính và phần mềm để tạo khung, cho đến khi bạn bật đèn xanh và các nhà sản xuất khung bắt đầu cắt khuôn. Mặc dù in 3D không phải là công nghệ rẻ tiền, nhưng nó chắc chắn rẻ hơn việc mở khuôn, nhìn thấy khung hình có vấn đề gì đó và phải bắt đầu lại ', Van de Berk cho biết thêm.
Vì vậy, nếu các công ty như RPD 3T có thể in bằng kim loại và các nhà sản xuất như Ridley đã in toàn bộ khung xe đạp nguyên mẫu, tại sao chúng ta không thể ghép cả hai lại với nhau và bắt đầu in những chiếc xe đạp có thể tháo lắp được?
‘Để có một khung hoàn chỉnh, điều đó khá khó khăn vì cách khung được tải trong quá trình lái xe,” Van den Berk giải thích. 'Đó là một cấu trúc phức tạp cần có khả năng đối phó với tất cả các loại ứng suất và biến dạng. Với carbon, cách bạn tạo các lớp là yếu tố làm cho khung trở nên chắc chắn hoặc cứng theo một hướng nhất định. Với việc in ấn, việc kiểm soát các thuộc tính củasẽ khó hơn nhiều
chất liệu và đó là điều khiến việc sản xuất khung trở nên khó khăn. Tuy nhiên, mọi thứ chắc chắn đang diễn ra theo hướng đó.’
Tính kinh tế của quy mô
Quay lại Kênh ở Bristol, có một công ty mà thực tế của khung in 3D đang ngày càng trở nên gần gũi hơn - ít nhất là một phần.
Charge Bikes đã hợp tác với EADS (Công ty Hàng không và Vũ trụ Châu Âu) để tạo ra những chiếc máy bay bỏ học đầu tiên được in trong sản xuất. Được làm từ titan Ti6Al4V, những chiếc xe bỏ học được in tại cơ sở của EADS trước khi được chuyển đến Đài Loan để hàn vào những chiếc xe đạp chéo ngăn đá của Charge. Tuy nhiên, trong khi thử nghiệm EN và tám tháng mệt mỏi dưới tay lái chuyên nghiệp Charge, Chris Metcalfe đã cho thấy những người bỏ học thành công như những người anh em họ CNC của họ, họ và quá trình mà họ là một phần, không phải là không có giới hạn.
Charge’s Neil Cousins cho biết, ‘Hiện tại, số lượng bản in bỏ học cộng thêm 20% vào chi phí của khung Freezer tiêu chuẩn, một phần vì mỗi bản dựng chỉ có thể tạo ra tối đa 50 bản in rời do kích thước của máy in. Chúng tôi cũng bị hạn chế về số lượng máy in hiện có - hiện chỉ có ba công ty khác ở Vương quốc Anh có chúng - và kiến thức chuyên môn và kỹ năng cần thiết để sử dụng chúng.’
Cousins chỉ ra rằng không có lý do gì trong tương lai chi phí sản xuất các bộ phận như vậy không thể giảm xuống khi kích thước và số lượng máy móc tăng lên, nhưng hiện tại anh ấy thực tế về vị trí của công nghệ: 'Chúng tôi đang luôn đưa ra kế hoạch cho các bộ phận và vừa thuê một nhà thiết kế công nghiệp mới tại đây. Một điều cần nhớ là rất nhiều bộ phận sẽ đắt đến mức chúng ta phải cẩn thận để không làm thứ gì đó sẽ nằm trên kệ của các nhà phân phối của chúng ta trong nhiều năm. Điều đó nói rằng, rất nhiều ông lớn trong ngành công nghiệp xe đạp đã liên hệ với chúng tôi và EADS để có thêm thông tin về công nghệ này, và trong ngắn hạn, tôi có thể dễ dàng nhận thấy in 3D đang được sử dụng để sản xuất các bộ phận như trục, mech. và băng cassette. '
Race Ware’s Martyn Harris có thể đã đi trước một bước, khi đã hợp tác với chuyên gia khí động học Simon Smart để tạo ra một thân xe bằng titan. Mặc dù còn lâu mới trở thành một mặt hàng đã hoàn thiện và có thể bán được (Harris ước tính rằng phiên bản hiện tại đã khiến anh ấy mất £ 5 000, vì vậy việc chuyển một chiếc có thể hơi khó khăn), nó chỉ phục vụ cho việc chứng minh in 3D hiện đang ở cấp độ nào và cũng là sẽ cần đến nơi mà các công ty như Race Ware và Charge muốn đến.
‘Chìa khóa cho tương lai của in 3D là hiểu được quy trình,’ Phil Kilburn của 3T RPD nói. Về phía chúng tôi, chúng tôi phải mất rất nhiều công việc truyền giáo để khiến mọi người tin vào công nghệ, giáo dục mọi người về những gì nó có thể và không thể làm. Chỉ khi bạn đã hiểu quy trình thì bạn mới có thể tận dụng nó. Nó vẫn chưa hoàn toàn đến đó, nhưng khi đạt được điều đó, in 3D sẽ bùng nổ.’
Bản in đẹp: Cách in 3D thực sự hoạt động
- Cũng như sản xuất bằng nhựa, 3T RPD có một loạt máy in các bộ phận kim loại, chẳng hạn như các bộ bắt xích titan này do Race Ware ủy nhiệm.
- Buồng máy in được làm nóng đến 70 ° C, trước khi một tia laser sợi đơn, hoạt động ở 1, 000 ° C +, vạch ra hai lớp trong một lớp bột titan.
- Ánh sáng trắng sáng mà bạn có thể nhìn thấy không phải là chấm của tia laser mà là ánh sáng cường độ cao được phát ra khi titan dạng bột trở nên nóng chảy.
- Các bộ bắt xích được xây dựng trong các lớp 20 micron - sau khi mỗi lớp đã được truy xuất, lớp máy in giảm 0,02mm trước khi một lớp bột mới được trải ra.
- Giường máy in kim loại có xu hướng nhỏ hơn nhiều so với giường máy in bằng nhựa. Tuy nhiên, máy mới nhất của 3T RPD đã có cấu tạo cao hơn 50% so với máy trước đó của chúng.
- Vấn đề lớn với việc làm cho máy in lớn hơn đi kèm với laser hội tụ. Các máy in kim loại nhỏ hơn sử dụng một tia laser, trong khi các máy in nhựa có diện tích lớn hơn phải sử dụng hai.
- Việc in ba vòng bắt xích bằng titan mất khoảng bốn giờ. Có thể ép tối đa 50 chiếc vào khay máy in, nhưng thời gian chế tạo sẽ tăng lên khoảng 12 giờ.
- Khi xây dựng xong, các bộ phận có thể được tháo ra gần giống như lấy một viên đá từ đống cát. Phần lớn bột thừa được tái chế và đưa trở lại công trình tiếp theo.
