Impressores autorreplicables que creen objectes a partir de dibuixos d'ordinador? No és ciència-ficció, sinó una realitat que revolucionarà la fabricació
Tot i que potser no us ho penseu, el 1986 va ser un any cabdal. La desregulació de la Borsa de Londres va canviar la nostra manera de pensar els diners; Txernòbil va canviar la nostra manera de pensar sobre l'energia nuclear; Top Gun va canviar la nostra manera de pensar sobre les bandes sonores de les pel·lícules i, per a aquells que presten molta atenció, un senyor americà anomenat Chuck Hull va canviar la nostra manera de pensar sobre la fabricació.
Aquell any, l'11 de març (potser aproximadament un milió de dies des de la fundació tradicional de Roma), Hull va rebre la patent nord-americana número 4, 575, 330: "Aparell per a la producció d'objectes tridimensionals per estereolitografia". I així va néixer la impressora 3D.
"Chuck Hull va ser el tipus que ho va començar tot", diu Phil Kilburn, director de vendes de l'empresa d'impressió 3D 3T RPD. "En aquell moment treballava per a Xerox i se li va ocórrer la idea de posar tintes unes sobre les altres per crear un model tridimensional sòlid. Va prendre aquest procés i va iniciar la primera empresa d'impressió 3D, 3D Systems.’
Al principi
La impressora 3D original de Hull va utilitzar una llum ultraviolada per dibuixar una forma bidimensional sobre la superfície d'una tina de fotopolímer líquid, una substància que es torna sòlida quan s'exposa als raigs ultraviolats. Aquest procés es repeteix una i altra vegada, creant capes 2D per crear un objecte 3D. Tot i que els processos i materials utilitzats a les impressores 3D han recorregut un llarg camí des de llavors, els rudiments segueixen sent els mateixos.
"Les màquines que fem servir ara utilitzen làsers", diu Martyn Harris, responsable de TI de 3T RPD. "El procés és extremadament intel·ligent, però en la seva forma bàsica és molt senzill: agafar una mica de pols i fondre'l. Així, a les nostres màquines, teniu un llit de material en pols, per exemple niló, que s'escalfa a la cambra de la impressora fins just per sota del seu punt de fusió. A continuació, els làsers tracen seccions transversals bidimensionals del component que voleu produir sobre la pols, fonent una capa 2D cada vegada. Una vegada que es traça una capa, el llit de la impressora cau, per exemple, 120 micres [0,12 mm], després un braç de recobriment estesa una altra capa de material en pols per la part superior i el procés torna a començar, amb el traçat làser. treure la següent capa.'
Aquest procés es basa en el mètode de "sinterització", on a altes temperatures els àtoms de les partícules d'una pols es difonen entre si i es converteixen en una peça sòlida. Però no n'hi ha prou amb apuntar un làser a una mica de plàstic i esperar que surti un objecte útil.
«El que primer fas és fer un model CAD [disseny assistit per ordinador] en 3D del que vols fer», diu Harris."A continuació, utilitzant un programari a mida, empaqueteu els models en un espai virtual 3D que reflecteix la mida del llit de la impressora. A partir d'aquí, deseu tots els vostres fitxers en STL (estereolitografia o fitxers triangulats) i, quan tingueu els fitxers preparats, bàsicament els talleu tots en el gruix que esteu construint. Tots aquests fitxers tallats s'envien a l'ordinador que controla la impressora i després només cal prémer anar i la impressora l'imprimirà. Irònicament, moltes de les parts d'aquestes impressores s'imprimeixen en altres impressores aquí, de manera que s'han tornat a repetir.’
Harris ha estat involucrat amb 3T RPD durant els darrers 13 anys i, més recentment, ha fundat Race Ware, una empresa de components de bicicletes que fabrica els seus productes, des de muntatges de plàstic Garmin fins a agafadors de cadena de titani, utilitzant impressores de 3T RPD.
"Em vaig posar en això perquè tinc un SRM i tinc un parell de barres Easton TT", diu Harris. "Quan vaig anar a buscar un suport de barra, tot el que vaig trobar va ser un kit adaptador horrible, així que vaig pensar que faria el meu. Vaig pensar que si en feia un per a mi, miraria si algú més també en volia, així que vaig anar a un fòrum de TT i vaig preguntar. Aquest tipus que es deia Jason Swann va dir que en volia un de Garmin i que era dissenyador de CAD, així que em va donar el disseny. Només vam trigar tres o quatre mesos a passar de la primera iteració a la versió que ara estem venent.’
Com indica Harris, un dels avenços clau que comporta la fabricació en 3D és la velocitat i la facilitat amb què es poden produir i perfeccionar els productes. El procés global, des de la taula de dibuix fins a l'article acabat, és excepcionalment ràpid en comparació amb els mètodes més tradicionals, tot i que els temps de construcció poden trigar des d'unes poques hores fins a una setmana, depenent de la complexitat i el nombre de productes que s'imprimeixen.
"A diferència d' altres processos de fabricació, com ara l'emmotllament per injecció, amb la impressió 3D no hi ha eines", diu Harris. "Tot el que he de fer és crear el model CAD, fer unes quantes proves, fer alguns retocs i després, quan estic satisfet amb ell, començar a imprimir. A la gent li costa posar-s'hi el cap. Em pregunten quin és el termini d'execució i jo puc respondre: "Dues o tres setmanes", mentre que estan acostumats a que algú digui: "Estarà a punt el quart quart de l'any vinent".'
Prototips ràpids
Per descomptat, 3T RPD i Race Ware no estan sols; Actualment, hi ha altres fabricants i indústries que recullen els beneficis de la impressió 3D i busquen avançar els límits cada cop més. Audi va utilitzar robots d'impressió 3D per crear el concept car RSQ que va aparèixer a la pel·lícula I, Robot; Equips de Fórmula 1 com Sauber utilitzen conductes de frens impresos en 3D als seus cotxes i, més recentment, l'empresa d'arquitectes holandesa Dus Architects va anunciar plans per imprimir en 3D una casa sencera. Aleshores, si tot això és factible (la casa suposadament es construirà en parts en una impressora de sis metres d'alçada anomenada "KarmerMaker"), quines implicacions podrien ser les mateixes bicicletes? Un home que creu que ho sap és el cap d'investigació i desenvolupament de Ridley Bikes, Dirk Van den Berk.
"Hem estat imprimint petits components prototip durant els últims dos o tres anys, com el fre de la forquilla Noah Fast", diu Van den Berk. "Però per primera vegada aquest any [2013] hem imprès un quadre sencer com a part del desenvolupament de la nostra nova versió de la bicicleta Dean TT. No és prou fort com per muntar-lo o fer proves d'estrès, però és ideal per a proves aerodinàmiques al túnel de vent i proves de muntatge, on podem construir-lo amb components reals per veure que tot encaixa.'
Com amb Race Ware, aquest tipus particular d'impressió 3D, conegut com a prototipat ràpid, permet a Ridley fer canvis de manera ràpida i econòmica. El degà va començar amb formes de tub per provar al túnel. Després vam construir marcs complets. Les provem, les avaluem, després tornem enrere i fem petits canvis. Això és el millor: es poden fer petits canvis molt ràpidament. Només cal prémer un botó i esperar que la impressora deixi d'imprimir.
‘Anteriorment feies servir ordinadors i programari per crear un marc, fins al punt que donaves llum verda i els fabricants de marcs comencen a tallar els motlles. Tot i que la impressió 3D no és una tecnologia barata, sens dubte és més barata que obrir un motlle, veure alguna cosa malament amb el marc i haver de començar de nou , afegeix Van de Berk.
Així doncs, si empreses com 3T RPD poden imprimir en metall i fabricants com Ridley ja estan imprimint prototips sencers de marcs de bicicletes, per què no podem unir els dos i començar a imprimir bicicletes per anar?
"Per a un quadre complet és bastant difícil a causa de la forma en què es carrega un quadre durant la conducció", explica Van den Berk. "És una estructura complexa que ha de ser capaç de fer front a tot tipus de tensions i deformacions. Amb el carboni, la manera de crear les capes és el que fa que un quadre sigui fort o rígid en una direcció determinada. Amb la impressió és molt més difícil controlar les propietats de
el material i això és el que dificulta la producció de marcs. Tanmateix, sens dubte les coses van en aquesta direcció.’
Economia d'escala
De tornada al canal a Bristol, hi ha una empresa per a la qual la realitat dels marcs impresos en 3D s'està apropant cada vegada més, almenys en part.
Charge Bikes ha estat treballant amb EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) per crear els primers abandonaments impresos en producció. Fabricades amb titani Ti6Al4V, les punteres s'imprimeixen a les instal·lacions d'EADS abans d'enviar-se a Taiwan per soldar-les a les bicicletes creuades congeladores de Charge. Tanmateix, tot i que les proves EN i uns extenuants vuit mesos amb el pilot professional de Charge Chris Metcalfe han demostrat que els abandons tenen el mateix èxit que els seus cosins CNC, ells i el procés del qual formen part no tenen limitacions..
Neil Cousins, de Charge, diu: Actualment, les sortides impreses afegeixen un 20% al cost d'un marc de congelador estàndard, en part perquè cada construcció només pot produir un màxim de 50 sortides a causa de la mida de la impressora. També estem limitats pel nombre d'impressores que hi ha (actualment només tres empreses més del Regne Unit en tenen) i l'experiència i les habilitats necessàries per utilitzar-les.’.
Cosins assenyala que no hi ha cap raó per què en el futur el cost de produir aquestes peces no pugui baixar a mesura que augmenten les mides i el nombre de les màquines, però de moment és realista sobre cap a on va la tecnologia: Estem sempre tenint plans per a peces i acabo de contractar un nou dissenyador industrial aquí. Una cosa a recordar és que moltes de les peces seran tan cares que haurem d'anar amb compte de no fer alguna cosa que quedarà a les prestatgeries dels nostres distribuïdors durant anys. Dit això, molts dels grans actors de la indústria de la bicicleta s'han posat en contacte amb nos altres i EADS per obtenir més informació sobre la tecnologia i, a curt termini, puc veure fàcilment que la impressió 3D s'utilitza per fer components com ara hubs, mechs. i cassets.'
Martyn Harris de Race Ware pot estar un pas per davant, després d'haver col·laborat amb el guru aerodinàmic Simon Smart per fer una tija de titani. Tot i que lluny de ser un article acabat i comercialitzable (Harris calcula que la versió actual li ha costat 5.000 £, de manera que canviar-ne un podria ser una mica difícil), només serveix per demostrar a quin nivell es troba actualment la impressió 3D i també quin és el caldrà arribar on empreses com Race Ware i Charge voldrien anar.
"La clau del futur de la impressió 3D és entendre el procés", diu Phil Kilburn, de 3T RPD. "Ens ha costat molta feina missionera per fer que la gent cregui en la tecnologia, per educar la gent sobre què pot i què no pot fer. Només un cop hàgiu entès el procés, podeu aprofitar-lo. Encara no ha arribat del tot, però quan ho faci, la impressió 3D explotarà.’
La lletra petita: com funciona realment la impressió 3D
- A més de construir en plàstic, 3T RPD disposa d'una sèrie de màquines que imprimeixen peces metàl·liques, com aquests receptors de cadena de titani encarregats per Race Ware.
- La cambra de la impressora s'escalfa a 70 °C, abans que un làser de fibra única, que funciona a 1.000 °C+, traça les capes bidimensionals en un llit de pols de titani.
- La llum blanca brillant que podeu veure no és el punt del làser, sinó una llum intensa que s'emet quan el titani en pols es fon.
- Els receptors de cadena estan construïts en capes de 20 micres: després de traçar cada capa, el llit de la impressora cau 0,02 mm abans que s'escampi una nova capa de pols.
- Els llits d'impressora de metall solen ser molt més petits que els de plàstic. Però les últimes màquines de 3T RPD ja creen un 50% més que les seves predecessores.
- El gran problema de fer les impressores més grans ve amb els làsers d'enfocament. Les impressores metàl·liques més petites utilitzen un únic làser, mentre que les impressores de plàstic d'àrea més gran n'han d'utilitzar dos.
- La impressió de tres receptors de cadena en titani triga unes quatre hores. Se'n poden col·locar fins a 50 al llit de la impressora, però el temps de creació augmentarà fins a unes 12 hores.
- Quan s'ha acabat la construcció, les peces es poden treure gairebé com si es recupera una pedra d'una pila de sorra. Gran part de la pols sobrant es recicla i es torna a posar a la següent construcció.
