Archive for January, 2013

Imprimând a 3-a dimensiune (II)

13/01/2013

Ca orice lucru folositor, fabricația aditivă s-a dezvoltat foarte repede. Dacă primele aplicații au fost în zona realizării rapide a prototipurilor, ultimii ani au adus primele produse fabricate în serie. Este drept, vorbim de serii mici, adică de serii de până la 10000 de exemplare tipărite, adică vorbim de zona în care 3D printerele produc mai ieftin decât fabricația tradițională. Acesta este motivul pentru care fabricația aditivă s-a instalat confortabil în industria aeronautică, în industria auto în domeniul bijuteriilor și în cel a accesoriilor personalizate. Cred că voi vorbi despre aplicațiile industriale într-un post ulterior. Oricât de importante sunt ele, sunt convins că vă voi atrage mai mult către acest domeniu vorbind azi despre lucruri mult mai accesibile unui hoobyst. Pentru că în ultimii ani, fabricația aditivă câștigă teren serios în zona casnică și de hobby.

Cu un 3D printer de hobby se pot face multe lucruri interesante. De la jucării, la orice mică sau mare invenție care poate fi folositoare sau nu. Site-urile care comercializează 3D printere, comercializează și blueprint-uri. Aici însă este bine să fiți atenți. Multe dintre blueprint-urile comercializate nu pot fi tipărite cu imprimanta respectivă. De exemplu, o imprimantă cu un singur extruder nu va tipări niciodată un obiect cu părți mobile. În plus, calitatea obiectelor tipărite este direct proporțională cu prețul imprimantei. Iar o imprimantă semi-profesională începe de la 5000$, în timp ce una profesională începe de la 35000$ și poate ajunge la 1000000$. Există și aici alternative. Puteți crea blueprintul pe calculatorul dumneavoastră și imprima obiectul pe o imprimantă de hobby și, dacă rezultatul este cel așteptat și obiectul merită o printare pe o imprimantă profesională, puteți  folosi un serviciu de printare profesional. Un exemplu de pionieri în acest business (pe care îl vom vedea înflorind în mall-uri în câțiva ani) este prezentat de The Economist și este al lui Shapeways:

Și nu este singura soluție pentru printări 3D profesionale. Am făcut un mic tabel cu câțiva furnizori de servicii de printare 3D și, fără a avea pretenția că este exhaustiv, iată-l:

Serviciul Site Material
 3d printing services www.3dcreationlab.co.uk Plastic
3dproparts www.3dproparts.com Plastic, metal
Digital Forming www.digitalforming.com Plastic, metal
 ExOne_logo www.exone.com Nisip, metal, sticlă
 i.materialise i.materialise.com Plastic, rășini, oțel, bronz, argint, aur, titan, ceramică
 Inition www.inition.co.uk Plastic
 fluid-forms www.fluid-forms.com Plastic, argint, aur, ceramică
 freedomofcreation www.freedomofcreation.com Plastic
 Impression-3D www.impression-3d.com Plastic, metal
 ponoko www.ponoko.com Plastic
 moddler www.moddler.com Plastic
 OffloadLogo www.offloadstudios.com Plastic
 partsnap-logo1-300x72 www.partsnap.com Plastic, metal
 protocube www.protocube.com Plastic
 quickforge_logo www.quickforge.co.uk Plastic, metal
 redeye eu.redeyeondemand.com Plastic
 Sculpteo www.sculpteo.com Plastic, rășini, argint, ceramică
 shapeways www.shapeways.com Plastic, oțel, argint, ceramică
 sherpa www.sherpa-design.com Plastic
 Spot Design www.spotdesign.ro Plastic
 Stephanie Wood design www.stephaniewooddesign.co.uk Plastic, metal
 within lab www.within-lab.com Plastic, metal
 zoomrp www.zoomrp.com Plastic

În lumea imprimantelor 3D, s-a petrecut, în ultimii ani un fenomen similar cu cel de la sfârșitul anilor 70 din lumea calculatoarelor. Adică au apărut imprimante 3D de uz personal și kit-uri do it yourself. Este suficient să dați o căutare pe Google pentru a vedea numărul foarte mare de proiecte, kit-uri sau imprimante produse de companii consacrate în domeniu și destinate publicului larg. În lumea kit-urilor, dispozitivele apar și dispar, la fel cum apar și dispar speranțele celor care le realizează. Totuși, prețul mic, de obicei sub 500$, și materialele ieftine folosite, le pot recomanda pentru cei care vor să își facă un hobby din aceasta. Iată un exemplu de kit, deloc rău gândit aflat într-o asemenea situație și 3D printerul care poate fi construit acasă cu piesele din el:Tehnologia accesibilă din ce în ce mai mult oamenilor interesați de imprimarea 3D ca hobby este dea de imprimare prin extruziune (vezi postul anterior). Pe tehnologia asta se fundamentează o serie mare de dispozitive, de la kit-uri do it yourself la dispozitive gata asamblate, cu prețuri între 500 și 2000 de dolari. Pentru aceste printere, care crează obiecte numai din plastic, un kilogram de consumabil costă până în 50 de dolari. Ce putem face cu ele? Cam tot ce ne dă prin cap și se poate materializa într-un obiect de plastic. Cu o singură condiție: să fim în stare să modelăm 3D folosind un program de calculator obiectul respectiv. Democratizarea s-a petrecut și aici. Există o gamă mare de programe gratuite pentru amatori și cred că este suficient să meționez aici binecunoscutul Google Sketchup, Autodesk 123d de la creatorii celebrului Autocad sau Blender, un program open source excepțional, pentru cei care vor un soft ceva mai avansat de modelare 3D. Odată modelarea obiectului realizată, iar în cazul obiectelor mai complexe realizată și simularea funcționalităților (pentru simulare sunt însă necesare programe CAD ceva mai avansate) obiectul poate fi imprimat, exact cum este imprimată o coală de hârtie, cu condiția ca la capătul cablului care pleacă din calculator să se găsească o imprimantă 3D.

În lumea kiturilor pentru imprimante 3D, lucrurile sunt încă destul de instabile. Producătorii apar și dispar, foarte putini dintre ei reușind să reziste competiției marilor producători. Aceștia, au sesizat apariția unei piețe de uz casnic și hobby și au început să producă, alături de dispozitive industriale și imprimante pentru acestă piața. Totuși, lumea producătorilor de imprimante 3D în serii mici nu se lasă nici ea bătută. Un exemplu îl reprezintă kitul de mai jos, prezentat de către producătorul său ca fiind  primul kit pentru o imprimantă 3D portabilă.

portabee_a-320x320

Producătorul este Portabee, o companie mică din Singapore care propune o imprimantă 3D cu un extruder la un preț sub 500$. La celălalt pol se găsesc kiturile produse de marii producători cum ar fi RapMan a lui 3D Systems.

bits_from_bytes_rapman_32_350

Aici avem de a face cu un kit upgradabil care pleacă de la varianta cu un extruder și ajunge la varianta cu trei extrudere. Ceea ce înseamnă că poate imprima obiecte de plastic cu părți mobile (de la două extrudere în sus) sau obiecte cu două sau trei culori. Sigur, prețul nu mai este la fel de atractiv, el variind între 1000 și 1800 de dolari.

Lumea imprimantelor 3D de uz casnic sau hobby asamblate este și ea foarte diversificată. Probabil că imprimanta cea mai ușor de utilizat este Cube 3D tot de la 3D Systems, o imprimantă cu un extruder la 1400$.

Cube 3D

sau mult mai cunoscutul Replicator de la Makerbot

Replicator

Sigur, tot ce am prezentat aici este o foarte succintă privire în jungla dispozitivelor de uz casnic sau hobby. Urmărind linkurile pe care le-am dat, puteți vedea ce se poate imprima cu o asemenea imprimantă sau ce se poate proiecta și trimite spre imprimare unui furnizor de servicii de acest gen. Acest post nu are nicidecum pretenția unui studiu sau a unei prezentări exhaustive. Este, mai degrabă un îndemn să căutați în Google sau ce motor de căutare preferați, în ce limbă preferați, informații despre felul în care vă puteți folosi creativitatea pentru a produce acasă obiecte frumoase sau utile. Sau și una și alta.

Imprimând a 3-a dimensiune (I)

10/01/2013

Cu mulți ani în urmă, vorbind la o conferință a WIPO despre nevoia protejării blueprint-urilor, am fost surprins de numărul foarte mic al celor din audiență care auziseră despre tehnologiile de imprimare 3D. Practic, în afară de delegațiile Japoniei și Statelor Unite nu a existat nici o reacție. Pentru europeni, în pofida faptului ca în Germania apăruseră deja producători de materii prime și echipamente, totul părea să fie SF pur.  Am înțeles atunci că sunt lucruri despre care nu venise vremea să vorbesc. Când am spus că miracolul chinezesc este din categoria miracolelor programate și că nu va dura mult, la tehnologiile de fabricație aditivă m-am gândit. Eram într-o emisiune tv,  unul dintre colegii de platou a făcut clasicul mișto dâmbovițean, în pauza publicitară i-am spus despre ce e vorba, a urmat un alt clasic mișto dâmbovițean și emisiunea (un fel de tabloid cu ifos de chestie mai deșteaptă) și-a văzut de cursul ei tabloidal. Am mai încercat să vorbesc despre asta de câteva ori, dar reacția unanimă a fost că bat câmpii.

Lucrurile au luat însă o întorsătură importantă pentru mine în momentul în care, stând de vorbă cu un prieten fizician și armean pe deasupra, am aflat că în România există cercetare serioasă în domeniu. Despre care nu vorbește nimeni, evident. Din acest moment, cred că este o datorie să vorbesc despre fabricația aditivă. Pentru că ea poate însemna reindustrializarea făcută cu cap a României. Mi-am luat inima în dinți și am ținut o serie de conferințe în universități (la Politehnică, la Matematică și la ASE). Apoi, după ce am prins oarece curaj, am inclus ideile acestea în oferta mea electorală. Pe site-ul meu electoral, adică aici, am creionat un proiect pe care intenționez să îl tratez cu aceeași seriozitate ca proiectul pentru industria de IT&C.

Ce înseamnă fabricația aditivă?

Termenul a apărut în anii 90 și este puternic promovat de vectori de opinie majori, cum ar fi The Economist. Fabricația aditivă presupune producerea unui obiect prin aglutinarea unui număr de particule de material. Să ne imaginăm că secționăm un obiect în straturi plane paralele. Dacă la nivelul fiecărei secțiuni aglutinăm particulele corespunzător amprentei obiectului în secțiunea respectivă și dacă straturile în care secționăm obiectul sunt suficient de subțiri, vom genera prin aglutinări strat peste strat obiectul însuși. Modalitățile concrete în care se realizează aglutinarea fac obiectul tehnologiilor de imprimare 3D și despre ele vom vorbi ceva mai încolo. Deocamdată, este bine să reținem că fabricația aditivă este un procedeu de fabricare a obiectelor prin creșterea lor secțiune peste secțiune. Acest procedeu permite realizarea întregului obiect, cu părți statice și mobile, gata asamblat, într-o singură sesiune de tipărire. De asemenea, spre deosebire de fabricația clasică, procedeul de fabricație aditivă utilizează mult mai puțin material pentru a produce un obiect. În fabricația clasică, cioplim în materie, în fabricația aditivă aglutinăm particule de materie și ce nu a fost utilizat în timpul unei sesiuni de fabricație poate fi reutilizat.

Materialele care pot fi utilizate în fabricația aditivă sunt nenumărate tipuri de polimeri, metale (aluminiu, oțel, titan, bronz argint, aur), ceramică, cuarț și un număr mare de materiale compozite. Deocamdată, imprimantele 3D pentru fabricația de obiecte sunt monomaterial. Adică pot realiza obiecte dintr-un singur material. În cazul plasticului, unele imprimante sunt deja color.

Puțină istorie și tehnologie

Tehnologiile de imprimare 3D au apărut cu peste 30 de ani în urmă. Prima idee i se datorează lui Ross Housholder care a obținut în 1979 un brevet pentru turnarea materialului în straturi succesive, acesta fiind prima tehnologie de tipărire 3D. Housholder nu și-a fructificat patentul și acest fapt a întârziat apariția domeniului cu câțiva ani. A urmat brevetul lui Charles Hull, având ca dată de pioritate 8 August 1984 și care se refereala stereolitografie. Practic data de 8 Aust 1984 poate fi considerată data de naștere a fabricației aditive. Charles Hull a înființat compania 3D Systems, companie care este astăzi una dintre cele mai importante în domeniu.

Stereolitografia este una dintre cele trei tehnologii majore existente astăzi în domeniul imprimării 3D. Pentru a o ilustra, voi prezenta două variante tehnologice ale ei si anume, fotopolimerizarea cu unfoton și fotopolimerizarea cudoi fotoni. Fotopolimerii sunt polimeri care își modifică proprietățile în momentul în care sunt iluminați în anumite frecvențe, intensitatea radiației luminoase fiind suficient de mare pentru a permite modificarea proprietăților respective. În tehnologiile de imprimare 3D este folosit un amestec fluid compus din trei tipuri de substanțe: oligomeri (adică macromolecule care dau în final caracteristicile fizice ale obiectului printat), monomeri (utilizați pentru a fluidiza amestecul, destul de vâscos datorită prezenței oligomerilor) și inițiatori (fotopolimeri care, în momentul în care sunt iluminați în frecvențele și cu intensitatea corectă, produc local o reacție care leagă oligomerii solidificând o mică porțiune din fluidul utilizat pentru producerea obiectului). Schema unui 3D printer care utilizează fotopolimerizarea cu un foton este prezentată mai jos:

1PP

Obiectul este creat pe unsuport care se scufundă după fiecare strat printat în soluția fotopolimerică. Stratul cel mai de sus este stratul ce urmează a fi imprimat. La început, el reprezintă o peliculă de lichid fotopolimeric. Asupra cestei pelicule acționăm cu o rază laser în frecvențacare face fotopolimerii să reacționeze și cu intensitatea necesară declanșării reacției. Utilizănd fie un sistem cu două axe care permite deplasarea laserului, fie o oglindă mobilă, raza laser este direcționtă în așa fel încât să urmeze zonele de imprimare ale secțiunii curente a obiectului de tipărit. Acestea se solidifică, suportul este scufundat încă puțin pentru a permite imprimarea secțiunii următoare și procedeul se repetă până la finalizarea obiectului.

Un al doilea procedeu de fotopolimerizare îl reprezintă cel în care obiectul este realizat în interiorul soluției fotopolimerice fără a fi necesară scufundarea sa strat după strat. Acest procedeu, numit fotopolimerizare cu doi fotoni este prezentat în diagrama de mai jos:

2PP

În acest caz, fotopolimerizarea este realizată acolo unde raza laser are intensitate maximă. Adică în focar. Ceea ce se face pentru a imprima constă în modificarea poziției focarului strat strat si mișcarea capului de imprimare printr-un sistem de deplasare cu două axe. Este un procedeu care permite rezoluții foarte bune și aceeși rezoluție în cele trei direcții spațiale.

În anul 1989, Scott Crump depunea o cerere de brevet pentru o thehnologie de creeare a obiectelor 3D diferită de fotopolimerizare. Aceasta presupune extrudarea unui material și este foarte asemănătoare cu cea utilizată de imprimantele cu jet de cerneală. O schemă a uni dispozitiv de printare prin extruziune este cea de mai jos:

FDM

Plasticul topit este pulverizat pe suprafața pe care se tipărește secțiunea curentă exact în felul în care cerneala este pulverizată în cazul imprimantelor cu jet de cerneală. Folosind două extrudere, se pot realiza obiecte cu părți mobile gata asamblate. Al doilea extruder pulverizează un material de suport care poate fi ulterior dizolvat, el fiind util în faza de generare a obiectului. Crump a înființat compania Stratasys.

Al treilea procedeu, care se adresează unei game foarte large de materiale și care permite realizarea de obiecte cu părți fixe și mobile gata asamblate, este sinterizarea selectivă utilizând fie o sursă laser de putere, fie un tun cu electroni. Tehnologia a fost brevetată de către Carl Deckard în anul 1989. Principiul pe care se fundamentează metoda constă în topirea controlată și aglutinarea unui număr de particule din materialul din care se dorește realizarea obiectului 3D. Aceasta se realizează în straturi succesive corespunzătoare secțiunilor subțiri ale obiectului. În diagrama de mai jos, prezint un dispozitiv tipic pentru sinterizarea selectivă.

SLS

Dispozitivul este compus din trei camere distincte, două dintre ele fiind camere de alimentare cu material iar cea din centru fiind camera în care se realizează obiectul 3D. Materialul este prezent ca o pulbere de granule având dimensiuni între 50 și 100 de microni. Pentru a alimenta dispozitivul, într-una dintre camerele de alimentare este ridicată platforma pe care stă pulberea cu 100 de microni. Pulberea este apoi împinsă spre camera centrală cu ajutorul uni cilindru care asigură depunerea ei într-un strat subțire și uniform. Urmează faza de sinterizare, fază în care particulele de material sunt aglutinate realizându-se stratul subțire corespunzător secțiunii curente care este tipărită. Suportul obiectului creat în camera centrală este coborât apoi pentru a pregăti imprimarea următorului strat. Când imprimarea este finalizată, obiectul este scos din camera de printare, pulberea rămasă pe obiect este înlăturată, iar cea rămasă în urma imprimării în camera centrală poate fi refolosită.

Acestea sunt principalele trei procedee de imprimare 3D, așa cum au apărut în istorie. Termenul de 3D printer a fost pentru prima dată utilizat în anul 1995 de către Jim Bredt și Tim Anderson, doi studenți la MIT care au realizat un dispozitiv de imprimare 3D modificând o imprimantă cu jet de cerneală și inventând o tehnologie care imprimă prin extruziune de material pe un pat de pulbere. Cei doi au brevetat invenția și au înființat prestigioasa companie Z Corporation, astăzi parte a 3D Systems.

În ultimii ani, domeniul fabricației aditive a crescut rapid și s-a diversificat. Au apărut nenumărate aplicații în industrie, medicină, în zona alimentară, în construcții și în hobby. Au apărut și s-a diversificat modele noi de business, imposibil de imaginat fără 3D printere. Fabricația tradițională începe să fie serios amenințată de fabricația aditivă. Proprietatea intelectuală în domeniul industrial începe să fie un bun tranzacționabil mai degrabă în felul celei din industria muzicală. Iar în curând, conducătorii statelor vor trebui să rezolve problemele sociale ce vor apărea în urma acestei a treia revoluții industriale.

Dar despre toate acestea voi vorbi într-un șir de postări ulterioare.