Selbstreplizierende Drucker, die Objekte aus Computerzeichnungen erstellen? Keine Science-Fiction, sondern eine Realität, die die Fertigung revolutionieren wird
Obwohl Sie es vielleicht nicht glauben, war 1986 ein entscheidendes Jahr. Die Deregulierung der Londoner Börse hat unser Denken über Geld verändert; Tschernobyl hat die Art und Weise verändert, wie wir über Atomkraft dachten; Top Gun hat die Art und Weise verändert, wie wir über Filmsoundtracks dachten, und für diejenigen, die genau aufpassen, hat ein amerikanischer Gentleman namens Chuck Hull unsere Denkweise über Herstellung verändert.
Am 11. März dieses Jahres (vielleicht genau eine Million Tage seit der traditionellen Gründung Roms) erhielt Hull das US-Patent Nr. 4,575,330: „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography“. Und so war der 3D-Drucker geboren.
„Chuck Hull war der Typ, mit dem alles begann“, sagt Phil Kilburn, Vertriebsleiter beim 3D-Druckunternehmen 3T RPD. „Er arbeitete damals für Xerox und hatte die Idee, Tinten übereinander zu legen, um ein solides dreidimensionales Modell zu erstellen. Er übernahm diesen Prozess und gründete das erste 3D-Druckunternehmen, 3D Systems.“
Am Anfang
Hulls ursprünglicher 3D-Drucker verwendete ultraviolettes Licht, um eine zweidimensionale Form über die Oberfläche eines Bottichs aus flüssigem Photopolymer zu zeichnen, einer Substanz, die fest wird, wenn sie ultravioletten Strahlen ausgesetzt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich immer wieder und baut 2D-Ebenen auf, um ein 3D-Objekt zu erstellen. Während sich die Prozesse und Materialien, die in 3D-Druckern verwendet werden, seitdem weit entwickelt haben, bleiben die Grundlagen dieselben.
„Die Maschinen, die wir jetzt verwenden, verwenden Laser“, sagt Martyn Harris, IT-Manager von 3T RPD. „Der Prozess ist extrem clever, aber in seiner Grundform sehr einfach: Nehmen Sie etwas Pulver und schmelzen Sie es. In unseren Maschinen haben Sie also ein Bett aus pulverförmigem Material, zum Beispiel Nylon, das in der Kammer des Druckers bis knapp unter seinen Schmelzpunkt erhitzt wird. Laser zeichnen dann zweidimensionale Querschnitte des Bauteils, das Sie herstellen möchten, über das Pulver und schmelzen jedes Mal eine 2D-Schicht. Sobald eine Schicht gezeichnet ist, senkt sich das Druckbett des Druckers um, sagen wir, 120 Mikrometer [0,12 mm], dann verteilt ein Nachbeschichterarm eine weitere Schicht aus pulverförmigem Material darüber und der Prozess beginnt erneut, wobei die Laser nachzeichnen aus der nächsten Ebene.'
Dieser Prozess basiert auf der Methode des „Sinterns“, bei der bei hohen Temperaturen die Atome in den Partikeln eines Pulvers ineinander diffundieren und zu einem festen Stück werden. Aber es reicht nicht aus, nur einen Laser auf irgendein Plastik zu richten und zu erwarten, dass ein nützliches Objekt herauskommt.
„Als Erstes erstellen Sie ein 3D-CAD-Modell [computergestütztes Design] von dem, was Sie herstellen möchten“, sagt Harris.„Dann packen Sie die Modelle mithilfe einer maßgeschneiderten Software in einen virtuellen 3D-Raum, der die Größe des Druckerbetts widerspiegelt. Von dort aus speichern Sie alle Ihre Dateien in STL – Stereolithographie oder triangulierte Dateien – und wenn Sie die Dateien fertig haben, schneiden Sie sie im Grunde alle in die Dicke, die Sie bauen. Alle diese geschnittenen Dateien werden an den Computer gesendet, der den Drucker steuert, und dann müssen Sie nur noch auf Go drücken, und der Drucker druckt sie. Ironischerweise werden viele Teile dieser Drucker hier auf anderen Druckern gedruckt, sodass sie sich selbst wiederholen.“
Harris ist seit 13 Jahren bei 3T RPD tätig und hat zuletzt Race Ware gegründet, ein Unternehmen für Fahrradkomponenten, das seine Produkte – von Garmin-H alterungen aus Kunststoff bis hin zu Kettenfängern aus Titan – mit den Druckern von 3T RPD herstellt.
„Ich bin dazu gekommen, weil ich ein SRM betreibe und ein Paar Easton TT Lenker habe“, sagt Harris. „Als ich nach einer Stangenh alterung suchte, war alles, was ich finden konnte, ein schreckliches Adapter-Kit, also dachte ich, ich mache mein eigenes. Ich dachte mir, wenn ich einen für mich machen würde, würde ich sehen, ob jemand anderes auch einen haben wollte, also ging ich in ein TT-Forum und fragte herum. Dieser Typ namens Jason Swann sagte, er wolle einen von Garmin, und er war CAD-Designer, also gab er mir das Design. Wir haben nur drei oder vier Monate gebraucht, um von der ersten Iteration zu der Version zu gelangen, die wir jetzt verkaufen.“
Wie Harris angibt, ist einer der wichtigsten Vorteile der 3D-Fertigung die Geschwindigkeit und Leichtigkeit, mit der Produkte hergestellt und verfeinert werden können. Der Gesamtprozess vom Zeichenbrett bis zum fertigen Artikel ist im Vergleich zu traditionelleren Methoden außergewöhnlich schnell – obwohl die Bauzeit je nach Komplexität und Anzahl der zu druckenden Produkte zwischen einigen Stunden und etwa einer Woche dauern kann.
„Im Gegensatz zu anderen Herstellungsverfahren wie dem Spritzgießen gibt es beim 3D-Druck keine Werkzeuge“, sagt Harris. „Ich muss nur das CAD-Modell erstellen, ein paar Testläufe machen, ein paar Optimierungen vornehmen und dann, wenn ich damit zufrieden bin, mit dem Drucken beginnen. Den Leuten fällt es schwer, sich damit auseinanderzusetzen. Sie fragen nach der Vorlaufzeit und ich kann antworten: „Zwei oder drei Wochen“, während sie daran gewöhnt sind, dass jemand sagt: „Bis zum vierten Quartal des nächsten Jahres wird es fertig sein.“’
Rapid Prototyping
Natürlich sind 3T RPD und Race Ware nicht allein; Es gibt andere Hersteller und Branchen, die derzeit die Vorteile des 3D-Drucks nutzen und versuchen, die Grenzen immer weiter zu verschieben. Audi verwendete 3D-Druckroboter, um das RSQ-Konzeptauto zu erstellen, das im Film I, Robot erschien; Formel-1-Teams wie Sauber verwenden 3D-gedruckte Bremsleitungen an ihren Autos, und kürzlich kündigte das niederländische Architekturbüro Dus Architects Pläne an, ein ganzes Haus in 3D zu drucken. Wenn all dies machbar ist (das Haus wird angeblich in Teilen auf einem sechs Meter hohen Drucker namens „KarmerMaker“gebaut), was könnten die Auswirkungen auf Fahrräder selbst sein? Einer, der glaubt, es zu wissen, ist der Leiter der Forschung und Entwicklung bei Ridley Bikes, Dirk Van den Berk.
„Wir haben in den letzten zwei oder drei Jahren kleine Prototypkomponenten gedruckt, wie die Bremse für die Noah Fast-Gabel“, sagt Van den Berk. „Aber zum ersten Mal in diesem Jahr [2013] haben wir im Rahmen der Entwicklung unserer neuen Version des Dean TT-Bikes einen ganzen Rahmen gedruckt. Es ist nicht stark genug, um gefahren oder Stresstests unterzogen zu werden, aber es eignet sich hervorragend für Aero-Tests im Windkanal und Montagetests, wo wir es mit echten Komponenten aufbauen können, um zu sehen, ob alles passt.’
Wie bei Race Ware ermöglicht diese spezielle Art des 3D-Drucks – bekannt als Rapid Prototyping – Ridley, Änderungen schnell und kostengünstig vorzunehmen. „Der Dekan begann mit Rohrformen, um sie im Tunnel zu testen. Dann haben wir komplette Rahmen gebaut. Wir testen diese, bewerten sie, gehen dann zurück und nehmen kleine Änderungen vor. Das ist das Tolle – kleine Änderungen können sehr schnell vorgenommen werden. Sie müssen nur eine Taste drücken und warten, bis der Drucker den Druckvorgang beendet.
‘Früher haben Sie Computer und Software verwendet, um einen Rahmen zu erstellen, bis Sie grünes Licht geben und die Rahmenhersteller mit dem Schneiden der Formen beginnen. Obwohl 3D-Druck keine billige Technologie ist, ist es sicherlich billiger, als eine Form zu öffnen, etwas mit dem Rahmen nicht in Ordnung zu sehen und von vorne anfangen zu müssen “, fügt Van de Berk hinzu.
Also, wenn Unternehmen wie 3T RPD in Metall drucken können und Hersteller wie Ridley bereits ganze Prototypen von Fahrradrahmen drucken, warum können wir die beiden nicht zusammenfügen und damit beginnen, fahrbare Fahrräder zu drucken?
„Für einen kompletten Rahmen ist es aufgrund der Art und Weise, wie ein Rahmen während der Fahrt belastet wird, ziemlich schwierig“, erklärt Van den Berk. „Es ist ein komplexes Gebilde, das allen möglichen Belastungen standh alten muss. Bei Carbon macht die Art und Weise, wie Sie die Schichten erstellen, einen Rahmen in einer bestimmten Richtung stark oder steif. Beim Drucken ist es viel schwieriger, die Eigenschaften vonzu kontrollieren
das Material und das macht die Rahmenproduktion schwierig. Die Dinge gehen jedoch sicherlich in diese Richtung.’
Skaleneffekte
Auf der anderen Seite des Kanals in Bristol gibt es ein Unternehmen, für das die Realität von 3D-gedruckten Rahmen immer näher rückt – zumindest teilweise.
Charge Bikes hat mit EADS (European Aeronautic Defence and Space Company) zusammengearbeitet, um die ersten produktionsgedruckten Ausfallenden zu entwickeln. Die aus Ti6Al4V-Titan gefertigten Ausfallenden werden im EADS-Werk gedruckt, bevor sie nach Taiwan verschifft werden, um in die Freezer-Crossbikes von Charge eingeschweißt zu werden. Während EN-Tests und zermürbende acht Monate unter Charge-Profi Chris Metcalfe gezeigt haben, dass die Aussteiger genauso erfolgreich sind wie ihre CNC-Cousins, sind sie und der Prozess, an dem sie beteiligt sind, nicht ohne Einschränkungen.
Neil Cousins von Charge sagt: „Derzeit erhöhen die gedruckten Ausfallenden die Kosten eines Standard-Freezer-Rahmens um 20 %, teilweise weil jeder Build aufgrund der Größe des Druckers nur maximal 50 Ausfallenden erzeugen kann. Wir sind auch durch die Anzahl der Drucker da draußen eingeschränkt – derzeit haben nur drei andere Unternehmen in Großbritannien sie – und das Fachwissen und die Fähigkeiten, die erforderlich sind, um sie zu verwenden.“
Cousins weist darauf hin, dass es keinen Grund gibt, warum die Kosten für die Herstellung solcher Teile in Zukunft nicht mit steigenden Maschinengrößen und -zahlen sinken können, aber im Moment ist er realistisch, in welche Richtung sich die Technologie entwickelt: „Wir sind immer mit Plänen für Teile und haben hier gerade einen neuen Industriedesigner eingestellt. Eine Sache, an die wir uns erinnern sollten, ist, dass viele der Teile so teuer sein werden, dass wir aufpassen müssen, nichts zu tun, was jahrelang in den Regalen unserer Händler liegen wird. Allerdings haben sich viele der großen Akteure der Fahrradindustrie mit uns und EADS in Verbindung gesetzt, um mehr Informationen über die Technologie zu erh alten, und kurzfristig kann ich mir leicht vorstellen, dass der 3D-Druck zur Herstellung von Komponenten wie Naben und Mechaniken verwendet wird und Kassetten.'
Martyn Harris von Race Ware ist vielleicht einen Schritt voraus, nachdem er mit Aerodynamik-Guru Simon Smart zusammengearbeitet hat, um einen Titanvorbau herzustellen. Obwohl es weit davon entfernt ist, ein fertiges, verkaufsfähiges Produkt zu sein (Harris schätzt, dass ihn die aktuelle Version 5.000 Pfund gekostet hat, könnte es ein wenig schwierig sein, eine zu wechseln), dient es nur dazu, zu beweisen, auf welchem Niveau sich der 3D-Druck derzeit befindet und auch auf welchem Es wird dauern, um dorthin zu gelangen, wo Unternehmen wie Race Ware und Charge gerne hinwollen.
„Der Schlüssel zur Zukunft des 3D-Drucks liegt im Verständnis des Prozesses“, sagt Phil Kilburn von 3T RPD. „Es hat unsererseits viel Missionsarbeit gekostet, um die Menschen dazu zu bringen, an die Technologie zu glauben, um die Menschen darüber aufzuklären, was sie kann und was nicht. Erst wenn Sie den Prozess verstanden haben, können Sie ihn nutzen. Es ist noch nicht ganz so weit, aber wenn es soweit ist, wird der 3D-Druck explodieren.“
Das Kleingedruckte: So funktioniert 3D-Druck eigentlich
- Neben der Konstruktion aus Kunststoff verfügt 3T RPD über eine Reihe von Maschinen, die Metallteile drucken, wie diese von Race Ware in Auftrag gegebenen Kettenfänger aus Titan.
- Die Druckerkammer wird auf 70°C erhitzt, bevor ein einzelner Faserlaser, der bei über 1.000°C arbeitet, die zweidimensionalen Schichten in einem Bett aus Titanpulver nachzeichnet.
- Das helle weiße Licht, das Sie sehen können, ist nicht der Punkt des Lasers, sondern ein intensives Licht, das ausgestrahlt wird, wenn das Titanpulver geschmolzen wird.
- Die Kettenfänger sind in 20-Mikron-Schichten aufgebaut – nachdem jede Schicht nachgezeichnet wurde, senkt sich das Druckerbett um 0,02 mm ab, bevor eine neue Pulverschicht verteilt wird.
- Druckerbetten aus Metall sind in der Regel viel kleiner als Druckerbetten aus Kunststoff. Aber die neuesten Maschinen von 3T RPD bauen bereits 50 % höher als ihre Vorgänger.
- Das große Problem bei der Vergrößerung von Druckern ist die Fokussierung von Lasern. Die kleineren Metalldrucker verwenden einen einzelnen Laser, wohingegen die großflächigeren Kunststoffdrucker zwei verwenden müssen.
- Der Druck von drei Kettenfängern aus Titan dauert etwa vier Stunden. Bis zu 50 können in das Druckerbett gequetscht werden, aber die Bauzeit verlängert sich auf etwa 12 Stunden.
- Wenn der Bau fertig ist, können die Teile fast so entfernt werden, als würde man einen Stein aus einem Sandhaufen holen. Ein Großteil des übrig gebliebenen Pulvers wird recycelt und in den nächsten Bau zurückgeführt.
