Stoliczku nakryj się!

Szybkie kształtowanie przyrostowe - pod tą suchą nazwą kryją się technologie wręcz nachalnie nasuwające skojarzenia z bajką ''Stoliczku, nakryj się'' braci Grimm. Z tą różnicą, że tym razem mówimy nie o bajkach, a o rzeczywistości, w której przedmioty powstają na życzenie.

Szybkie kształtowanie przyrostowe - pod tą suchą nazwą kryją się technologie wręcz nachalnie nasuwające skojarzenia z bajką 'Stoliczku, nakryj się' braci Grimm. Z tą różnicą, że tym razem mówimy nie o bajkach, a o rzeczywistości, w której przedmioty powstają na życzenie.

Kształtowanie rzeczywistości adekwatnie do zamierzeń i wyobrażeń człowieka od zawsze było motorem rozwoju. Postęp cywilizacyjny jest nieustannie związany z dążeniem do dopasowania otoczenia lub jego fragmentów do naszych potrzeb. Zwykle modelujemy obiekty poprzez usuwanie nadmiaru materiału, łączenie brył bądź zmianę stanu skupienia, w czasie której płynna substancja (metal, plastik itp.) zastyga wewnątrz formy mozolnie wydłubanej w jakimś elemencie. Nasze dotychczasowe technologie kształtowania mają jednak dziesiątki wad. Popularna obróbka skrawaniem wymaga drogich urządzeń, specjalnych warunków pracy i jest na tyle niebezpiecznym i drogim procesem, że do dzisiaj nie wyszła poza progi fabryk. Skrawanie daje sporo odpadów, a kształt obiektu podlega istotnym ograniczeniom, jak choćby podczas toczenia, możliwego wyłącznie w przypadku brył obrotowych. Z kolei wykonanie odlewu wymaga niezwykle czasochłonnego przygotowania formy. Czasu potrzeba na to tym więcej, im bardziej złożona jest topologia docelowej bryły.

Pora na zmiany

Urządzenie stereolitograficzne SLA7000 firmy 3D Systems i wykonany za jego pomocą element.

Urządzenie stereolitograficzne SLA7000 firmy 3D Systems i wykonany za jego pomocą element.

Problem stał się jeszcze bardziej widoczny z chwilą wprowadzenia komputerowych metod projektowania. Samo projektowanie zostało w znaczący sposób przyspieszone, ale wciąż pozostawał "drobny" kłopot: model był wirtualny, istniał jedynie w pamięci komputera. Jego przeobrażenie z ciągu zer i jedynek w realny, fizyczny obiekt wymagało użycia standardowych technik kształtowania, długotrwałych, kosztownych, żmudnych. Sytuację nieco poprawiło wprowadzenie obrabiarek sterowanych numerycznie (Computer Numerical Control - CNC), ale nie wszystkie elementy da się na nich wykonać, nie mówiąc już o tym, że właściwym miejscem dla tokarki jest hala produkcyjna, a nie pomieszczenie biurowe lub mieszkalne. Profesor Kazimierz Oczoś, kierownik Katedry Technik Wytwarzania i Automatyzacji Politechniki Rzeszowskiej, tak komentuje wspomnianą sytuację: "Gdy w 1950 roku John Parson z Massachusetts Institute of Technology wynalazł sterowanie numeryczne obrabiarek, uznano to za swoistą rewolucję techniczną w branży. Obrabiarki numeryczne zawładnęły obecnie techniką wytwarzania, zdecydowanie wpływając na obniżkę kosztów, skrócenie czasu i podniesienie jakości produkcji wyrobów. W warunkach szczególnie uwydatnionej od lat dziewięćdziesiątych globalizacji gospodarki, przedsiębiorstwa zostały jednak zmuszone do poszukiwania nowych dróg zwiększania wydajności produkcji i obniżania jej kosztów. Zanikają bariery technologiczne, a przeciętny cykl życia wyrobów ulega systematycznemu skracaniu."

Najlepiej byłoby, zamiast usuwać nadmiar, tworzyć przedmioty i narzędzia od razu w docelowym kształcie, kontrolując powstawanie bryły w każdym fragmencie jej objętości. Zakres kontroli mógłby obejmować szerszy zbiór własności, nie tylko geometryczne. Odpowiednio dobierając materiały, decydowalibyśmy o takich własnościach obiektu, jak kolor, twardość, elastyczność, przewodnictwo cieplne czy elektryczne. Gdyby w dodatku dało się kontrolować te własności nie tylko całego obiektu, ale poszczególnych jego fragmentów... Budowalibyśmy precyzyjnie pod kątem naszych wymagań, tworząc w jednym cyklu produkcyjnym element o właściwościach precyzyjnie dobranych w każdym punkcie.

Model lusterka samochodowego, wykończony i pokryty lakierem oraz bezpośrednio po wyjęciu z urządzenia ZPrinter 310 Monochrome 3D Printer firmy EMS.

Model lusterka samochodowego, wykończony i pokryty lakierem oraz bezpośrednio po wyjęciu z urządzenia ZPrinter 310 Monochrome 3D Printer firmy EMS.

Jeszcze na początku lat 80. ubiegłego wieku powyższe rozważania były czystą fantazją - do czasu. W 1984 roku Charles Hull, naukowiec pracujący w kalifornijskiej firmie produkującej lampy ultrafioletowe, wpadł na pomysł, który nasunęły mu lampy stosowane do utwardzania powłok polimerowych. Zasada jest następująca: skoncentrowana wiązka światła rysuje przekrój bryły na ruchomym, pokrytym płynnym polimerem dnie pojemnika. W naświetlonych punktach polimer twardnieje. Dno pojemnika obniża się wówczas o ułamek milimetra, warstewka płynnego polimeru pokrywa utworzony obiekt i można naświetlać kolejną warstwę. Powtarzając to wielokrotnie i rysując kolejne przekroje elementu, można by utworzyć nawet bardzo złożoną strukturę. Pierwszym powstałym w ten sposób przedmiotem była filiżanka. Niby niewiele, ale Hull od początku miał przeczucie, że technologia, którą wynalazł - nazywana obecnie stereolitografią - szybko stanie się w dużą gałęzią przemysłu. Przeczucie wzmocnił patentem uzyskanym w Stanach Zjednoczonych w 1986 roku. I rzeczywiście, pierwsza publiczna prezentacja opracowanej przez niego maszyny na wystawie w Detroit w 1987 roku cieszyła się ogromnym zainteresowaniem. Powstał wówczas 3D Systems, dzisiejszy lider szybkiego kształtowania przyrostowego. Firma pierwsze urządzenie do prototypingu, SLA-1, sprzedała w 1988 roku. Nagle realne stało się wykonanie modelu, prototypu czy narzędzia w czasie zaledwie godzin zamiast tygodni. "Pierwsze urządzenie komercyjne Hulla do budowy modeli stereolitograficznych trafiło na niezwykle podatny grunt - mówi prof. Oczoś. - W lansowanym szybkim rozwoju wyrobów - Rapid Product Development - techniki przyrostowe zaczęły odgrywać coraz większą rolę dzięki możliwości szybkiego wykonywania modeli, prototypów czy wzorców wyrobów. Dotychczasowe metody wykonywania prototypów, na ogół bardzo koszto- i czasochłonne, znalazły niezwykle efektywne rozwiązanie. Praktycznie każdy, zarówno zewnętrzny, jak i wewnętrzny kształt wyrobu może zostać wytworzony technikami przyrostowymi w czasie wielokrotnie krótszym niż standardową obróbką mechaniczną. Generatywne RP-technologie z typowym sekwencyjnym nanoszeniem warstw materiału pozwoliły na wytwarzanie, bezpośrednio z modeli 3D/CAD, skomplikowanych geometrycznie, fizycznych wyrobów w tylko jednostopniowym procesie oraz bez potrzeby stosowania przyrządów czy specjalnych narzędzi".

Przygotowanie modelu trójwymiarowego do druku w technologii FDM, realizowane za pomocą oprogramowania firmy Stratasys.

Przygotowanie modelu trójwymiarowego do druku w technologii FDM, realizowane za pomocą oprogramowania firmy Stratasys.

Pierwsze bryły uzyskane za pomocą stereolitografii nadawały się zaledwie do celów wizualizacyjnych, a i to przy sporej dozie dobrej woli. Powierzchnie były nierówne, wyraźnie warstwowe, a sam materiał miał kiepskie parametry wytrzymałościowe. Obecnie - po 20 latach od chwili, gdy Hull wpadł na pomysł stereolitografii - możemy wytwarzać obiekty o praktycznie dowolnym kształcie i niemal dowolnie złożonej budowie wewnętrznej. Dysponujemy przy tym całkiem sporym zestawem materiałów roboczych, których właściwości fizyczne różnią się w znacznym stopniu: od przezroczystych tworzyw sztucznych, przez materiały elastyczne i ceramikę, na metalach kończąc. Co prawda, nie ma na razie mowy o punktowej kontroli tych własności w skali atomowej, ale postęp jest już wyraźnie widoczny i otrzymuje się elementy złożone z kilku rodzajów materiałów, o jakości powierzchni zbliżonej do uzyskiwanej na obrabiarkach CNC.

Był kamyczek, jest lawina

Obecnie dysponujemy kilkunastoma technologiami opartymi na pomyśle Hulla. Wszystkie sprowadzają się do tej zasady: odtworzenia w fizycznym materiale kolejnych warstw obiektu w sposób zgodny z przekrojami wirtualnego, trójwymiarowego modelu. Ponieważ fizyczna bryła powstaje warstwa po warstwie, techniki te noszą miano przyrostowych. Ponieważ gotową bryłę uzyskuje się dużo szybciej niż tradycyjnymi technikami, używa się określenia "szybkie techniki przyrostowe", przy czym przymiotnik "szybki" (rapid) pojawia się jako część wspólna w angielskim nazewnictwie całej grupy tych technologii.

Zasada działania urządzenia stereolitograficznego (SLA).

Zasada działania urządzenia stereolitograficznego (SLA).

Techniki przyrostowe w zależności od planowanego zastosowania elementów dzielą się na trzy rodzaje: wytwarzanie modeli (Rapid Modelling - RM), prototypów (Rapid Prototyping - RP) oraz narzędzi (Rapid Tooling - RT). Dla każdej z grup charakterystyczne są pewne technologie produkcji. W zależności od zastosowanej techniki i urządzenia otrzymany przedmiot można wykorzystać wyłącznie do fizycznej prezentacji kształtu (RM), do wstępnych badań (RP) lub wręcz jako produkt finalny (RT). Możliwe jest również użycie technik z rodziny RT jako etapu pośredniego, na którym powstaje jedynie forma, służąca następnie do wyprodukowania właściwego elementu tradycyjnymi technikami.

Z kilkudziesięciu technologii, które pojawiły się wkrótce po zaprezentowaniu przez Hulla nowej idei wytwarzania, obecnie popularnych jest zaledwie kilka:

  • stereolitografia (Stereolithography SL, SLA)

  • selektywne spiekanie laserowe (Selective Laser Sintering - SLS)

  • druk przestrzenny (3D Printing- 3DP)

  • Ink Jet Printing (IJP)

  • Fused Deposition Modeling (FDM)

  • Laminated Object Manufacturing (LOM)

  • Laser Engineered Net Shaping (LENS).
Zanim pokrótce omówimy każdą z nich, przyjrzyjmy się etapowi początkowemu: przygotowaniu trójwymiarowego modelu bryły do generowania w urządzeniu przyrostowym.


Zobacz również