3D printanje pruža gotovo neograničene mogućnosti izrade dijelova, ali je proces spor i skup, uz ograničene dimenzije modela i materijale…
3D print postaje sve rašireniji način izrade komponenti, modela, prototipova ne samo u automobilskoj industriji već i u medicini te brojnim drugim područjima. O čemu se zapravo radi? Iako se metoda kolokvijalno naziva printanje u stvari se radi o slojevitom očvršćivanju odnosno slojevitom nanošenju materijala što donekle podsjeća na rad ink-jet pisača, ali u osnovi postupak nema previše veze s printanjem na papir.
Ovaj postupak postao je moguć tek nakon što su računalni programi omogućili trodimenzionalno modeliranje određenih komponenti odnosno sklopova. Prisjetimo se, u počecima se sve radilo na papiru odnosno crtaćoj dasci, a na osnovu tih nacrta su se izrađivali dijelovi i slagali u sklopove. Razvoj računala najprije je omogućio brže proračune,a a potom i brže crtanje.
Najprije su to bili programi za dvodimenzionalno crtanje koji su u stvari bili kompjutorska daska za crtanje. No prednosti su bile velike, isti dijelovi su se lako kopirali ili zrcalili, nacrt se jednostavno mijenjao ili dopunjavao te ponovno iscrtavao (odnosno ‘plotao’). Tehnološku revoluciju donijelo je 3D modeliranje kad su inženjeri odmah modelirali tijelo u prostoru odnosno vrlo složene sklopove kojima su mogli pridružiti fizikalna svojstva.
Na osnovu toga moguće je izračunati njihovu težinu, simulirati opterećenja i sl. Više nije potrebno raditi nacrte, osim u svrhu fizičkog arhiviranja (sigurnosna mjera), jer se model može napraviti direktno iz računala. Ni to više nije potrebno jer postoje 3D printeri koji mogu u stvarnost pretočiti kompjutorski model. Osnovni princip rada je da se informacije iz nekog od programa (ima ih dosta) u kojem je kreiran trodimenzionalni model šalju u 3D printer.
Postoji nekoliko osnovnih principa rada takvih uređaja, ali u osnovi se princip svodi na metodu da se predmet ‘izreže’ na vrlo tanke slojeve (debljine oko 0,1 mm ili manje) i potom se podaci o svakom sloju šalje u 3D printer.
Metoda 1: Stereolitografija
Radi se fotoosjetljivoj otopini po čijoj površini ‘piše’ ultraljubičasti laser. Mjesta koja dotakne laser će se polimerizirati odnosno očvrsnuti. Dio se radi odozdo prema gore tako da laser po površini ‘ispiše’ puni presjek najnižeg sloja, nakon čega se on spušta za debljinu sloja, laser očvrsne sljedeći sloj itd.
Metoda 2: Špricanje fotopolimera
U ovom postupku se (postupkom sličnim ink-jet printeru) slojevi kreiraju špricanjem fotoosjetljivog polimera koji se uz pomoć UV svjetla odmah skrutnjava. Prednost ovog postupka je da se mogu raditi modeli vrlo velikih dimenzija
Metoda 3: Vezivanje praha
U ovom slučaju se po praškastom materijalu šprica vezivo čime se područja koja su došla u dodir s vezivom skrutnjavaju te se sloj po sloj gradi željeni objekt.
Metoda 4: Taljenje metalnog praha
Snop elektrona ‘piše’ po metalnom prahu i rastaljuje područja na koja djeluje čime se, opet sloj po sloj, gradi željena struktura. Prednost ovog postupka je da se mogu dobiti predmeti vrlo dobrih mehaničkih svojstava što nije slučaj s polimernim materijalima.
Prednosti i nedostaci
Budući da ‘pisanje’ sloja traje neko vrijeme, ovisno o veličini i kompleksnosti presjeka i više od minute, a da predmet od 200 mm čini oko 2.000 slojeva onda “printanje” takvog dijela traje nekoliko sati. Uz pomoć ove metode moguće je napraviti samo modele od određene veličine koja u pravili ne prelazi 400 mm (osim u slučaju dodavanja polimera).
No s druge strane (kao što se na našim shemama i vidi) moguće je napraviti oblike kave je nemoguće napraviti drugim postupcima. Bilo kojim od ovih načina moguće je napraviti čak i šuplju kuglu iz jednog komada što je nemoguće izvesti konvencionalnim postupcima.
Čemu na to služi?
Iako je moguće, na ovaj način se ne proizvode dijelovi automobila jer bi to bilo presporo i preskupo, ali se ovim postupcima vrlo brzo može napraviti prototip ili model za aerodinamičko ispitivanje i slično. Vrlo brzo (za nekoliko sati) moguće je dobiti cijeli sklop i provjeriti koliko je funkcionalan i usklađen.
Audi 3D print koristi za izradu alata za prešanje (s kojima se onda proizvode automobilske komponente). Radi se o metodi broj 4 pri čemu se mogu koristiti čelik, aluminij ili titan. Veličina zrna praha koji se topi je od 15 do 40 µm (tisućitih dijelova milimetra) što odgovara debljini ljudske vlasi što uz preciznu lasersku zraku osigurava iznimnu točnost dimenzija modela.
Golema prednost ovako stvorenih struktura je da imaju bolja mehanička svojstva od izvornih materijala te manju masu. ‘Printani’ aluminijski dijelovi imaju čvrstoću od 400 N/mm2 što je dvostruko više od aluminija pri čemu su značajno lakši. Dijelovi od čelika imaju čvrstoću i do 1000 N/mm2 što višestruko nadmašuje čvrstoću elemenata od istog materijala dobivenog klasičnim postupcima.
Kako bi demonstrirali mogućnosti ove metode u Audiju su napravili repliku čuvenog Auto-Uniona Type C u mjerili 1:2 u koji je većim dijelom napravljen od aluminijskih ili čeličnih komponenti dobivenih 3D printanjem. BMW koristi 3D print već 25 godina i godišnje na ovaj način proizvedu više od 100.000 različitih dijelova. Zanimljivo je da se rotori pumpi za vodu DTM modela izrađuju 3D print metodom i do sada još ni jedan nije zakazao. To je dobar znak.
Već su predstavljeni u čitavi automobili koji su (najvećim dijelom) izrađeni 3D printom pri čemu su neki od plastike, a neki (kao što je Blade, prvi printani super automobil) od kombinacije aluminija i karbonskih vlakana. Blade ima šasiju izvedenu od posebno oblikovanih aluminijskih cijevnih čvorova proizvedenih 3D printanjem i povezanih cijevima od karbonskih vlakana…
… koja je teška samo 50 kg, a cijeli automobil s V8 motorom od 700 KS ima masu manju od 700 kg. Ipak najčešća primjena 3D printa je u izradi modela (poput onih u zračnom tunelu) odnosno prototipova, a na ovaj način se razmjerno jednostavno mogu proizvesti komplicirani sklopovi (odnosno njihove komponente) i u vrlo ranog fazi konstrukcije provjeriti njihova funkcionalnost.
Koenigsegg turbo
Jedna od najspektakularnijih primjena 3D printa je kod Koenigseggova modela Regera točnije turbopunjača. Radi si o biturbu s jednim kućištem čije su komore isprepletene i iznimni kompleksnog oblika. Ovako komplicirano kućište nemoguće je proizvesti klasičnim načinom i izvodi se 3D pritom, ali ono što je još važnije jest da u isto vrijeme izrađuju i sve unutarnje komponente (rotor i ostalo), pa nakon printanja nije potrebna montaža jer je sve već složeno, a iznimna točnost osigurava i visoku kvalitetu površinske obrade tako da nema potrebe za dodatnim zahvatima. Budući da se radi o maloj seriji i vrlo skupom automobilu onda je moguće na ovaj (vrlo skup) način i proizvoditi pojedine sklopove. Ipak za proizvodnju ovog sklopa potrebna su gotovo tri dana.
VAŽNO
– 3D print 1980. izumio inženjer i fizičar Chuck Hull
– Još se naziva, u tehničkoj literaturi i ‘rapid prototyping’
– Dijelovi se proizvode nanošenjem ili očvršćivanjem jednog po jednog sloja
– Može se koristiti tekući materijal, praškasti polimer ili metalni prah
