Zelfreplicerende printers die objecten maken van computertekeningen? Geen sciencefiction, maar een realiteit die de productie radicaal zal veranderen
Hoewel je het misschien niet denkt, was 1986 een cruciaal jaar. De deregulering van de London Stock Exchange veranderde de manier waarop we over geld dachten; Tsjernobyl veranderde de manier waarop we over kernenergie dachten; Top Gun veranderde de manier waarop we over filmsoundtracks dachten, en voor degenen die goed opletten, veranderde een Amerikaanse heer met de naam Chuck Hull de manier waarop we over productie dachten.
Dat jaar op 11 maart (misschien precies een miljoen dagen sinds de traditionele oprichting van Rome), kreeg Hull het Amerikaanse patentnummer 4, 575, 330: 'Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography'. En zo werd de 3D-printer geboren.
‘Chuck Hull was de man waarmee het allemaal begon’, zegt Phil Kilburn, salesmanager bij 3D-printbedrijf 3T RPD. ‘Hij werkte toen voor Xerox en kwam op het idee om inkten op elkaar te leggen om een solide driedimensionaal model te creëren. Hij nam dit proces en startte het eerste 3D-printbedrijf, 3D Systems.'
In het begin
Hull's originele 3D-printer gebruikte ultraviolet licht om een tweedimensionale vorm te tekenen over het oppervlak van een vat met vloeibaar fotopolymeer, een stof die vast wordt bij blootstelling aan ultraviolette stralen. Dit proces gebeurt keer op keer, waarbij 2D-lagen worden opgebouwd om een 3D-object te creëren. Hoewel de processen en materialen die in 3D-printers worden gebruikt sindsdien een lange weg hebben afgelegd, blijven de beginselen hetzelfde.
‘De machines die we nu gebruiken, maken gebruik van lasers’, zegt IT-manager Martyn Harris van 3T RPD. ‘Het proces is heel slim, maar in de basisvorm is het heel eenvoudig: neem wat poeder en smelt het. In onze machines heb je dus een bed van poedervormig materiaal, bijvoorbeeld nylon, dat in de printerkamer wordt opgewarmd tot net onder het smeltpunt. Lasers traceren vervolgens tweedimensionale dwarsdoorsneden van het onderdeel dat u wilt produceren over het poeder, waarbij elke keer een 2D-laag smelt. Zodra een laag is getraceerd, zakt het bed van de printer naar beneden, laten we zeggen 120 micron [0,12 mm], dan spreidt een re-coater-arm nog een laag poedervormig materiaal over de bovenkant en het proces begint opnieuw, waarbij de lasers traceren uit de volgende laag.'
Dit proces is gebaseerd op de methode van 'sinteren', waarbij bij hoge temperaturen de atomen in de deeltjes van een poeder in elkaar diffunderen en een vast stuk worden. Maar het is niet genoeg om een laser op een of ander plastic te richten en te verwachten dat er een bruikbaar object tevoorschijn komt.
‘Wat je eerst doet, is een 3D CAD-model [computer-aided design] maken van wat je wilt maken’, zegt Harris.‘Vervolgens verpak je de modellen met behulp van op maat gemaakte software in een virtuele 3D-ruimte die de grootte van het printerbed weerspiegelt. Van daaruit sla je al je bestanden op in STL - stereolithografie of driehoekige bestanden - en wanneer je de bestanden klaar hebt, snijd je ze in feite allemaal in elke dikte die je aan het bouwen bent. Al die gesegmenteerde bestanden worden naar de computer gestuurd die de printer bestuurt en dan is het gewoon een kwestie van op go te drukken, en de printer zal het afdrukken. Ironisch genoeg worden veel van de onderdelen van deze printers hier op andere printers afgedrukt, dus ze zijn zichzelf herhalend geworden.'
Harris is de afgelopen 13 jaar betrokken geweest bij 3T RPD en heeft recentelijk Race Ware opgericht, een fietsonderdelenbedrijf dat zijn producten vervaardigt - van plastic Garmin-bevestigingen tot titanium kettingvangers - met behulp van 3T RPD-printers.
'Ik ben hierin gestapt omdat ik een SRM run en een paar Easton TT-bars heb', zegt Harris. 'Toen ik op zoek ging naar een stuurbevestiging, kon ik alleen een vreselijke adapterkit vinden, dus ik dacht dat ik er zelf een zou maken. Ik dacht dat als ik er een voor mij zou maken, ik zou kijken of iemand anders er ook een wilde, dus ging ik naar een TT-forum en vroeg rond. Deze man genaamd Jason Swann zei dat hij een Garmin wilde, en hij was een CAD-ontwerper, dus hij gaf me het ontwerp. Het kostte ons slechts drie of vier maanden om van de eerste iteratie naar de versie te komen die we nu verkopen.'
Zoals Harris aangeeft, is een van de belangrijkste voordelen van 3D-productie de snelheid en het gemak waarmee producten kunnen worden geproduceerd en verfijnd. Het totale proces van tekentafel tot afgewerkt artikel is uitzonderlijk snel in vergelijking met meer traditionele methoden, hoewel de bouwtijd kan variëren van enkele uren tot ongeveer een week, afhankelijk van de complexiteit en het aantal producten dat wordt geprint.
‘In tegenstelling tot andere productieprocessen, zoals spuitgieten, is er bij 3D-printen geen tooling’, zegt Harris. ‘Het enige wat ik hoef te doen is het CAD-model maken, een paar testruns doen, een paar tweaks maken en als ik er tevreden mee ben, beginnen met printen. Mensen vinden het moeilijk om er hun hoofd bij te houden. Ze vragen wat de doorlooptijd is en ik kan antwoorden: "Twee of drie weken", terwijl ze gewend zijn dat iemand zegt: "Volgend kwartaal vier is het klaar."'
Snel prototypen
Natuurlijk staan 3T RPD en Race Ware niet alleen; er zijn andere fabrikanten en industrieën die momenteel de vruchten plukken van 3D-printen en die de grenzen steeds verder willen verleggen. Audi gebruikte 3D-printrobots om de RSQ-conceptauto te maken die verscheen in de film I, Robot; Formule 1-teams zoals Sauber gebruiken 3D-geprinte remleidingen op hun auto's, en recentelijk heeft het Nederlandse architectenbureau Dus Architects plannen aangekondigd om een heel huis in 3D te printen. Dus als dit allemaal haalbaar is (het huis zal naar verluidt in delen worden gebouwd op een zes meter hoge printer genaamd de 'KarmerMaker'), wat kunnen de implicaties zijn voor fietsen zelf? Een man die denkt te weten is hoofd onderzoek en ontwikkeling bij Ridley Bikes, Dirk Van den Berk.
‘We printen al twee of drie jaar kleine prototypecomponenten, zoals de rem voor de Noah Fast-vork’, zegt Van den Berk. 'Maar dit jaar [2013] hebben we voor het eerst een heel frame geprint als onderdeel van de ontwikkeling van onze nieuwe versie van de Dean TT-fiets. Het is niet sterk genoeg om mee te rijden of om op stress te testen, maar het is geweldig voor aero-testen in de windtunnel en montagetests, waar we het kunnen opbouwen met echte componenten om te zien dat alles past.'
Net als bij Race Ware, stelt dit specifieke type 3D-printen - bekend als rapid prototyping - Ridley in staat om snel en goedkoop wijzigingen aan te brengen. ‘De decaan begon met buisvormen om in de tunnel te testen. Daarna hebben we complete frames gebouwd. We testen deze, evalueren, gaan dan terug en brengen kleine wijzigingen aan. Dat is het mooie: kleine veranderingen kunnen heel snel worden doorgevoerd. U hoeft alleen maar op een knop te drukken en te wachten tot de printer stopt met afdrukken.
‘Vroeger gebruikte je computers en software om een frame te maken, tot het punt waarop je groen licht geeft en de framemakers de mallen beginnen te snijden. Hoewel 3D-printen geen goedkope technologie is, is het zeker goedkoper dan het openen van een mal, zien dat er iets mis is met het frame en opnieuw moeten beginnen', voegt Van de Berk toe.
Dus, als bedrijven zoals 3T RPD in metaal kunnen printen en fabrikanten zoals Ridley al hele prototype fietsframes printen, waarom kunnen we die twee dan niet samenvoegen en beginnen met het printen van berijdbare fietsen?
‘Voor een compleet frame is het best lastig vanwege de manier waarop een frame tijdens het rijden wordt belast’, legt Van den Berk uit. ‘Het is een complexe structuur die moet kunnen omgaan met allerlei soorten spanningen en spanningen. Met carbon is de manier waarop je de lagen maakt, wat een frame in een bepaalde richting sterk of stijf maakt. Met printen is het veel moeilijker om de eigenschappen vante controleren
het materiaal en dat is wat de productie van frames moeilijk maakt. Het gaat echter zeker die kant op.’
Schaalvoordelen
Terug over het Kanaal in Bristol is er één bedrijf waarvoor de realiteit van 3D-geprinte frames steeds dichterbij komt - althans gedeeltelijk.
Charge Bikes heeft samengewerkt met EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) om de eerste in productie gedrukte dropouts te maken. Gemaakt van Ti6Al4V titanium, worden de uitvaleinden geprint in de EADS-faciliteit voordat ze naar Taiwan worden verscheept om te worden gelast in Charge's vriezer cross-fietsen. Hoewel EN-tests en een slopende acht maanden onder Charge pro-rijder Chris Metcalfe hebben aangetoond dat de uitvallers net zo succesvol zijn als hun CNC-neven, zijn zij, en het proces waar ze deel van uitmaken, niet zonder beperkingen.
Charge's Neil Cousins zegt: 'Momenteel voegen de afgedrukte dropouts 20% toe aan de kosten van een standaard vriezerframe, deels omdat elke build maximaal 50 dropouts kan produceren vanwege de grootte van de printer. We zijn ook beperkt door het aantal printers dat er is - momenteel hebben slechts drie andere bedrijven in het VK ze - en de expertise en vaardigheden die nodig zijn om ze te gebruiken.'
Neven wijst erop dat er geen reden is waarom in de toekomst de kosten van het produceren van dergelijke onderdelen niet kunnen dalen naarmate de machinegroottes en aantallen toenemen, maar voorlopig is hij realistisch over waar de technologie naartoe gaat: 'We zijn komen altijd met plannen voor onderdelen en hebben hier net een nieuwe industrieel ontwerper aangenomen. Een ding om te onthouden is dat veel van de onderdelen zo duur zullen zijn dat we moeten oppassen dat we niet iets doen dat jarenlang in de schappen van onze distributeurs zal blijven liggen. Dat gezegd hebbende, hebben veel van de grote spelers in de fietsindustrie contact met ons en EADS gehad om meer informatie over de technologie te krijgen, en op de kortere termijn kan ik gemakkelijk zien dat 3D-printen wordt gebruikt voor het maken van componenten zoals naven, mechs en cassettes.'
Race Ware's Martyn Harris is misschien een stap voor, nadat hij heeft samengewerkt met aerodynamische goeroe Simon Smart om een titanium stuurpen te maken. Hoewel het verre van een voltooid, verkoopbaar item is (Harris schat dat de huidige versie hem £ 5.000 heeft gekost, dus het verschuiven ervan kan een beetje moeilijk zijn), dient het alleen om te bewijzen op welk niveau 3D-printen zich momenteel bevindt, en ook wat het zal nodig zijn om te komen waar bedrijven zoals Race Ware en Charge heen zouden willen.
‘De sleutel tot de toekomst van 3D-printen is inzicht in het proces’, zegt Phil Kilburn van 3T RPD. ‘Het heeft van onze kant veel zendingswerk gekost om mensen in de technologie te laten geloven, om mensen voor te lichten over wat ze wel en niet kunnen doen. Pas als u het proces begrijpt, kunt u er uw voordeel mee doen. Het is er nog niet helemaal, maar als het zover is, gaat 3D-printen exploderen.'
De kleine lettertjes: hoe 3D-printen eigenlijk werkt
- Naast het inbouwen van plastic heeft 3T RPD een serie machines die metalen onderdelen printen, zoals deze titanium kettingvangers in opdracht van Race Ware.
- De printerkamer wordt verwarmd tot 70°C, voordat een enkele vezellaser, die werkt bij 1.000°C+, de tweedimensionale lagen in een bed van titaniumpoeder traceert.
- Het heldere witte licht dat je kunt zien is niet de punt van de laser, maar eerder een intens licht dat wordt uitgestraald als het titaniumpoeder gesmolten wordt.
- De kettingvangers zijn gebouwd in lagen van 20 micron - nadat elke laag is uitgetekend, zakt het printerbed met 0,02 mm voordat een nieuwe laag poeder wordt uitgespreid.
- Metalen printerbedden zijn over het algemeen veel kleiner dan plastic printerbedden. Maar de nieuwste machines van 3T RPD zijn al 50% hoger gebouwd dan hun voorgangers.
- Het grote probleem met het groter maken van printers komt met focuslasers. De kleinere metalen printers gebruiken een enkele laser, terwijl de grotere plastic printers er twee moeten gebruiken.
- Het printen van drie kettingvangers in titanium duurt ongeveer vier uur. Er kunnen tot 50 stuks in het printerbed worden geperst, maar de bouwtijd zal oplopen tot ongeveer 12 uur.
- Als de bouw klaar is, kunnen de onderdelen worden verwijderd, bijna alsof je een steen uit een hoop zand ha alt. Veel van het overgebleven poeder wordt gerecycled en teruggeplaatst in de volgende build.
