Imprimând a 3-a dimensiune (I)

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.

4 răspunsuri to “Imprimând a 3-a dimensiune (I)”

  1. Arșaluis Gurău Says:

    Chiar dacă n-am priceput detaliile (neavând cunoștințe elementare în domeniu), am prins ideea, dar mai mult decât atât, îmi sună ca un basm modern – misterios și incitant – realizabil, ca toate produsele imaginației ce populează poveștile copilăriei: covorul care anulează distanțele(avioanele supersonice), mărul vindecător (medicamentele „miraculoase”), cutia cu dansatoare(televizorul), etc. Am ferma încredere că veți reuși, iar zâmbetul arogant al „miștocarilor dâmbovițeni” le va îngheța pe buze.

  2. Laurentiu C. Says:

    In primul rand ma bucur ca a dat peste un blog despre tehnologie, foarte rar printre domeniile .ro

    Referitor la articol pot sa spun ca mi se pare interesant. Nu sunt foarte sigur ca am inteles si de aceea vin cu cateva intrebari:
    1. Punctul la care raza laser sinterizeaza este tot timpul acelasi?
    2. Straturile de polimeri sunt aduse in zone de actiune a razei laser succesiv, incepand cu stratul cel mai de jos?

    • vpambuccian Says:

      1. Da și nu. Da, dacă sinterizarea se face cu mască. Atunci putem folosi un fascicol luminos paralel, obturat de o mască corespunzătoare secțiunii care se imprimă. Nu, dacă sinterizarea este fără mască și atunci capul de imprimare este fie mobil în două coordonate, fie raza este reflectată de o oglindă mobilă.
      2. La fotopolimerizarea cu un foton, imprimarea se face la suprafața lichidului. La fotopolimerizarea cu doi fotoni, imprimarea se face în interiorul lichidului, acolo unde este focalizată raza luminoasă.

  3. Dl.Goe Says:

    Presupun ca va cererea pe piata pentru „tipariturile” 3D va creste spectaculos odata cu scaderea preturilor la lasere si la plimeri. Cine n-ar frea s-o „imprime” pe Pamela Anderson, 3D, in marime naturala? In plus, acuma cu laserul de la Magurele (cel mai mare din lume; apropo ce parere aveti? La ce s-ar putea folosi?) am putea intra in cartea recordurilor cu cea mai mare Pamelå Anderson imprimata vreodata.

    P.S. De fapt eu as fi vrut sa va adresez cateva intrebari off topic:

    1. Sa presupunem ca, prin jocul intamplarii, ati descoperi acasa, abandonat pe balconul d-voastra un colet. Cu imensă uluiala aţi constata, desfacand coletul, că înauntru se afla un corp uman, inert, un cadavru recent, în mod aparent cel putin, care arata identic cu d-voastra înşivă, iar alaturi de acesta o nota prin care vi se aduce la cunoştiinţă că un laborator secret a produs o clona a d-voastra pe care o puteţi activa (aduce la viata) pe baza unui procedeu simplu (descris in nota) sau ca o puteti distruge, utilizand un dizolvant aflat intr-un recipient din acelasi colet. N-am de gand sa va intreb cum ati proceada. Sper doar ca ati acceptat acest scenariu în mod serios, fara a ceda in fata tentatiei de a cadea în derizoriu şi băşcălie. Sa zicem ca aţi decis activarea dublului d-voastra, si ca procedand conform indicaţiilor va aflati in fata unei fiinte vii care nu are niciun fel de informatie stocata in creier. Prin urmare pentru a o putea scoate in lume este necesar s-o pregatiti, s-o aduceti la zi cu cunostiintele despre lume si viata. Despre univers. Sa presupunem ca fiinta este foarte inteligenta şi că asimileaza repede limbajul, vorbirea şi că in scurt timp aceasata fiinta, total dependenta de d-voastra, vă intreabă: „Cum a fost creat UNIVERSUL?”. Ei bine intrebarea mea este, cu toata consideraţia, „Ce anume i-ati raspunde acelei fiinte la intrebarea pe care v-a adresat-o?”.

    2) Vedeti vreo legatira intre entropie, „sageata timpului” – si – dilatarea accelerata a Universului (formula improprie pentru „inflatia spatiului”)?

    Va multumesc anticipat. Cu toata consideratia al dv. dl.Goe.

Lasă un răspuns

Completează mai jos detaliile tale sau dă clic pe un icon pentru a te autentifica:

Logo WordPress.com

Comentezi folosind contul tău WordPress.com. Dezautentificare / Schimbă )

Poză Twitter

Comentezi folosind contul tău Twitter. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Facebook

Comentezi folosind contul tău Facebook. Dezautentificare / Schimbă )

Fotografie Google+

Comentezi folosind contul tău Google+. Dezautentificare / Schimbă )

Conectare la %s


%d blogeri au apreciat asta: