Почти истински: 3D принтирането примамва потребителите с прототипи, които вдъхват живот на проектите

Автори: Kenneth Wong, Nancy Spurling Johnson


 
Фигура: Това е реалистичен прототип на риболовна макара от производителя Zebco, направена от детайли, създадени с помощта на Objet Eden 3D принтер за окончателна обработка от Brad Ruprecht на Zebco. За повече информация вижте в страничната лента "Zebco Tackles Prototyping Tasks with Ease".

Печатане, терминът, който обикновено се свързва с изображения върху плоска повърхност, може би скоро трябва да бъде преразгледан така, че да включва създаването на 3D форми. В някои случаи, устройството или т.нар. принтер, може да бъде малко по-голям от стандартна факс машина. В други случаи, не ви трябва дори собствена машина. Вие можете просто да качите цифров модел онлайн за 3D печат в бюро за такива услуги. Въпрос на дни е идеята ви да бъде представена скаларно – независимо дали е нова жилищна постройка, джобен формат на зарядно устройство за мобилен телефон или изделие по поръчка на клиента – и вече да е пред прага ви чрез UPS или FedEx.
Освен, че е запазен за създаването на модели, 3D печатът се развива като алтернативна производствена дисциплина, занимаваща се с производство на части със сложна геометрия в по-малки обеми. В същото време, редица доставчици предлагат все по-малки и по-достъпни десктоп модели, обещаващи на инженерите персонални машини за прототипиране. За да ви помогнем да намерите правилните технологии за 3D принтиране и услуги за вашия бизнес, осъществяваме контакти директно с лидерите в тази индустрия, вземаме под внимание най-новите модели, излизащи на пазара, както всички „за” и „против” определени материали и методи, които участват.

Нова форма на бързо прототипиране  

Традиционните форми на прототипиране, повечето от които са всичко друго, но не и бързи, включват методи, които създават форми, като отнемат части от материала, например ръчно извайване, моделиране с глина и лазерно рязане. 3D принтирането обхваща новото поколение технологии за бързо прототипиране (rapid prototyping - RP), като например моделиране на отлаганията от материали (fused-deposition modeling - FDM), селективно лазерно синтероване (selective laser sintering - SLS), стереолитография (SLA) и някои други. С напредъка на CAD през последните две десетилетия, се разчита на цифрови модели и това е станало част от RP лексиката. Повечето са просто измислица, защото използват наслояване на материалите, за да създадат твърдотелни модели, вместо да отнемат/изрязват от материала.
Според дефиницията за 3D принтирането, от технологична гледна точка, то все още се развива. Някои го използват свободно по отношение на всички допълнителни производствени методи. Други предпочитат да ограничат неговия обхват до изработване на методи, взаимствани от мастилено-струйния печат, какъвто е примерът с машините от Z Corp. и някои други. Terry Wohlers, основателят на Wohlers Associates и автор на Wohlers Report 2008: Едно по-задълбочено проучване на световните постижения в областта на допълнителните производства, определя 3D принтирането като "един по-евтин вариант на допълнително производство (additive fabrication - AF), цитирайки обработките на Z Corp., Dimension сериите на Stratasys, PolyJet машините на Objet Geometries и по-евтините опции на 3D Systems например. В тази статия се използва определение за понятието от Wohlers. В таблицата, предоставена тук, съкращението 3DP се използва за идентифициране на машини с методите, базирани на мастилено-струйните технологии.
Най-често използваните файлови формати за 3D печат са STL, който сега е най-достъпната опция за експорт на файлове за повечето архитектурни и машинни CAD софтуери. В повечето случаи, операцията по преобразуването на CAD модел STL може да бъде толкова проста, от рода на File / Save As / STL (какъвто е случаят с Autodesk Inventor, SolidWorks, Inventor и Alibre Design). Някои програми, като например Revit на Autodesk и 3ds Max, предоставят допълнителни средства и възможности да се анализират и улучат точните модели за най-добри резултати при 3D принтирането.

Приложения
Тъй като са сравнително евтини и по-бързи за производство, 3D-печатните прототипи вече започват да заменят традиционните модели от глина, дърво или пяна в различните индустрии. В архитектурата, 3D моделите се използват не само за предварителен преглед на дизайна, но също така и при търговски презентации. На лице е възможност за отпечатване на релефни текстови стрингове (ленти) и лого върху самия модел (услуга, предлагана от някои бюра като Colorado-based LGM  и позволяваща допълнителни възможности за маркиране при изграждане на модели с цел да се покажат на сайтовете). Много архитектурни модели се състоят от раздели и части, които не са затворени обеми или твърдотелни геометрични форми и могат да бъдат принтирани. Архитектурните фирми са на ясно, че при 3D печатът трябва да се вземе предвид работа с 3D магазини за принтиране, които предлагат пълно обслужване и помощ при конвертиране на CAD модели в STL файлове, удобни за 3D-принтиране.

За граждански (цивилни) проекти, 3D печатът предлага начин за изграждане на определени почвени условия като скаларен модел. За да се обхване голям район, може да се наложи потребителят да разпечата гео-пространствени данни, съхранявани в ГИС формати в по-малки участъци и ръчно да ги събере в едно, затова за подобни проекти, принтери с по-големи площи са предимство. За преобразуване на ГИС файлове в такива, подходящи за 3D принтиране, Z Corp. препоръчва форматът на експортирания файл да бъде VRML.
При машинното и промишленото проектиране, и по-специално в производството на потребителски стоки, разработчиците на продукти често използват 3D-печатни прототипи за проучване на възможностите за проектираните модели. Съвсем наскоро, поради повишената интеграция на софтуера за finite-element analysis (FEA) в механичните CAD пакети, ще бъде възможно да се изкарват цветно-кодирани резултати от анализа, използвайки 3D принтери. За тези приложения трябва да се вземат предвид възможностите на машините за цветен печат.

За прототипиране на медицинска техника някои производители предпочитат да бъдат създадени прозрачни прототипи, дори и при продукти предназначени за корабоплаването, конструирани, за да бъдат произведени от непрозрачни материали. Прозрачният прототип позволява на инженерите да проучат флуидните потоци във вътрешността и ако е необходимо, да коригират геометрията преди масовото производство. Тази практика е особено полезна за производство на изкуствени сърдечни клапи, автоматични устройства за глюкоза и други подобни продукти. Производителите, занимаващи се с производството на продукти, базирани на каучук, като обувки, например, биха предпочели машини, които могат да отпечатат модели от гъвкави материали, максимално доближаващи се до крайния продукт.

Методи
Тъй като в SLA използват фотополимерни смоли, машините, работещи чрез този процес, произвеждат модели, които са в известна степен крехки. От друга страна, SLS машините използват полимерни прахове, като резултатът се получават модели с термопластични свойства и повърхности с прахова структура. Мнозина считат, че SLA е по-добър процес за производство на фини, гладки конструкции със сложни детайли. Но в повечето случаи, SLA детайлите се нуждаят от поддържащи структури. В някои редки случаи, отстраняването на тази поддържаща структура, може е причина за компромис с размерите на детайла.
Фигура: Zebco Tackles изпълнява задачи за прототипиране с лекота
FDM използва неогъваема ABS пластмаса за производство на детайли, подобни на термопластичните SLS. Materialise - фирма за прототипиране, базирана в Белгия, отбелязва, че FDM са "неподходящи за детайли с еластични връзки," но "по-подходящи за големи, гладки детайли... с много на брой по-малки," в сравнение с SLS процеса. Stratasys използва осем на брой уникални термопластични материала в оборудването си.
3D принтирането, произлязло от мастилено-струйните технологии, използва точно мастилено-струйни дюзи, за да създаде модели със слоеве, чрез специална течност, която ги запечатва на място. Процесът използва течен агент, вместо лазер, както в SLS. Този метод се счита за по-достъпен и по-бърз в сравнение с останалите.

Десктоп революция

Фигура: Newcomer Desktop Factory планира през 2009 г. да изкара 125ci 3D принтер, на цена по-малка от $5,000.

Една от последните новости в 3D печата включва развитието на десктоп елементите. Сред доставчиците, които смятат, че времето на десктоп RP машините е дошло е Objet Geometries със седалище в Rehovot, Израел. Objet Alaris30 дебютира през октомври 2008 г. Той е с размери 32" х 34" х  41"- приблизително два пъти повече от размера на типичен настолен мастилено-струен принтер, тежи 183 кг и е със работна зона  почти 12" х 8 " х 6". Машината е оценена на по-малко от $ 40 000.
Също през октомври 3D Systems обявиха завръщането на V-Flash FTI 230 Desktop Modeler с цена $ 9 900. Компанията се надява, че тази цена би била привлекателна не само за инженери и дизайнери, но също така за непрофесионалисти и студенти. "Този достъпен, лесен за използване и подходящ за офиса 3D принтер е първият продукт от 3D Systems, базиран на новата им технологична платформа Film Transfer Imaging (FTI)" обявяват от дружеството. Машината е предназначена да работи тихо и със стандартни електрически контакти.
V-Flash FTI 230 повторното навлиза на пазара след първоначалното му представяне през април 2008, което води до откриването на "някои технически затруднения, които засягат ефективността на моделиера", според дружеството, в резултат на което продажбите спират. Julie Graham, специалист комуникации в 3D Systems обяснява, "Ние планираме да продължим с внимателното управление, поетапно планово внедряване през първото тримесечие на 2009 г. и очаквайки успешен изход от тази фаза, започваме всестранна търговска активност по отношение на V-Flash FTI 230 Desktop Modeler още в началото на 2009." Машината се очаква да излезе с Alibre Design, един познат 3D CAD продукт от среден клас.
Снижавайки конкурентно цаната на V-Flash, Desktop Factory планира да продаде своята премиерен модел, 125ci, за по-малко от $ 5000 още тази година. Въпреки, че все още не е налична, машината вече има колекция от заглавия като: "Printing 3D Gets Practical”в BusinessWeek (октомври 6, 2008); „3D принтерът на Desktop Factory Cheapo идва" съобщава технологичният блог Engadget. (http://www.engadget.com/).

Cathy Lewis, CEO на Desktop Factory заявява, "Не сме тук, за да бъдем най-добрите в своя клас. Бихме искали да повишим информираността и достъпа до пазара, който смятаме, че беше надценен и твърде сложени от дълго време."
Desktop Factory пускат машина с габарити едва 25"х 20" х 20" и тегло по-малко от 90 lb. Но са нужни жертви са необходими за постигане на компактна форма. Работната площ е с размери само 5" х 5 " х 5". В момента той принтира използвайки само един твърд материал. Все още в менюто не са включени опции цвят, прозрачност и гъвкавост.
От прототипи до функционални детайли
През 2005 г., преценявайки мащабите на нововъзникващия пазар за принтиране на функционални детайли, разработчикът на 3D принтери Stratasys стартира нов бизнес проект с първоначално название RedEye RPM, а по-късно преименуван RedEye On Demand. Новото подразделение е бюро за услуги, което произвежда не само прототипи, а също и детайли за крайни клиенти. Компанията е била помолена да произвежда, наред с други неща, набор от въздуховоди за леката самолетна индустрия и серии от контейнери за съхранение на медицински спринцовки.

Тези детайли и продукти, разпечатани чрез 3D технологията са за ежедневна употреба, а не прототипи. Joe Hiemenz, Мениджър връзки с обществеността в Stratasys, посочва: "Въпреки че „бързо производство” (rapid manufacturing - RM) е оригиналният термин, Обществото на Машинните инженери използва термина „директно цифрово производство” (direct digital manufacturing - DDM), при описание на това приложение.”

При голям обем детайли от порядъка на хиляди, традиционните производствени методи като инструментално производство, обработка и инжекционно формоване остават предпочитана възможност. Но RM може да произведе някои части със сложна геометрия, отрицателни ъгли и подрязвания, които биха били сериозно предизвикателство пред традиционните методи. Тъй като нормалното време за RM е от два до пет дни, той е идеален за направата на няколко десетки алфа и бета единици, чрез които да се тества формата на продуктите, съвместимостта и функциите или няколкостотин детайла при стартиране на нов продукт, докато се чака инструменталната настройка.
През април 2006 г., около шест месеца след неговото пускане, RedEye On Demand започна да предлага гъвкави, подобни на гума фотополимерни материали, известни като FullCure Tango. "Очаква се Tango да събуди интересът на производителите на продукти с пластични характеристики, като например гуми, играчки, обувки, уплътнения, клавиатури, както и гъвкави автомобилни компоненти," съобщават от компанията.
С въвеждането на Overnight Build услугата през юни 2007, RedEye On Demand започна предоставянето на услугата „доставка на следващия ден” за поръчки, подадени преди 4:00 ч. след обяд Източно време. "Ready Part технологията също така подготвя моделите и детайлите за боядисване, галванична и окончателна обработка", според компанията.
Благоприятно за офиса и земята
Objet Geometries описва новия си Alaris30 като "идеален за офис средата". Dimension - подразделянето на Stratasys, обикновено представя своята продуктова линия като "бърза, удобна за офиса и евтина алтернатива".
Като цяло терминът „удобен за офиса” е индикатор за производителите на RP машини, че стандартните RP материали изискват по-внимателни манипулации. Много компании вече се стремят - особено в конструирането на десктоп машини - да намалят или предотвратят експлозиите на токсини и топлина. Въвеждат също така и използването на достъпни материали, които могат да се рециклират.
"Всички настоящи системи на Stratasys използват термопластични материали", обяснява Hiemenz, така принтираните детайли могат да се рециклират от индустриалните фирми като пластмасов отпадък. "В сравнение със смесените производства, като например машинната обработка, допълнителният RP процес използва за повечето детайли само обема на материалите, необходими за оформянето, така че всъщност няма отпадъци," добавя Hiemenz.
Joe Tiltlow, директор на продукт мениджмънта в Z Corp., заявява, "Започвайки от Z450 и стигайки до най-новите ZPrinter 650, всички те се използват технология, която автоматично улавя отново неизползвания прах. Деветдесет и девет процента от този неизползван прах се пуска обратно в машината и се използва пак. Това е огромна икономия на разходи за потребителя. Преди няколко години, използвахме нагреватели за вулканизация на детайлите. Осъзнахме обаче, че шума и топлината не бяха подходящи за офис среда, затова се преместихме далеч. Нашата текуща технология използва топлината само до края на цикъла."

Работни коне и понита
"Използването на допълнително пригодени машини за изработка на продукти за крайни клиенти изисква висока ефективност, което означава по-голям пакет, по-висока производителност, бързина, точност, както и по-голяма здравина на материала", обяснява Hiemenz. Тези изисквания могат да бъдат изпълнени само от по-големите 3D принтери.
"От друга страна, има тенденция за понижаване на цената за концептуални модели", допълни Hiemenz. Той предрича, че скоро 3D принтирането вече няма да бъде Workgroup функция/на работната група/, а функция, която да е на разположение на всеки отделен инженер-конструктор, позволявайки му да създаде дори прототип на муха. Ако Hiemenz е прав, се очаква: увеличаване на броя на по-големите и по-бързи „работни коне”, занимаващи се с бързото производство на детайли за крайна употреба и разпространението на по-малки, достъпни, дори персонални машини за отпечатване на прототипи.