Stampanti autoreplicanti che creano oggetti da disegni al computer? Non fantascienza, ma una re altà destinata a rivoluzionare la produzione
Anche se potresti non pensarlo, il 1986 è stato un anno cruciale. La deregolamentazione della Borsa di Londra ha cambiato il modo in cui pensavamo al denaro; Chernobyl ha cambiato il modo in cui pensavamo all'energia nucleare; Top Gun ha cambiato il modo in cui pensavamo alle colonne sonore dei film e, per coloro che prestano molta attenzione, un gentiluomo americano di nome Chuck Hull ha cambiato il modo in cui pensavamo alla produzione.
Quell'anno, l'11 marzo (forse circa un milione di giorni dalla tradizionale fondazione di Roma), Hull ricevette il brevetto statunitense numero 4, 575, 330: "Apparato per la produzione di oggetti tridimensionali mediante stereolitografia". E così è nata la stampante 3D.
"Chuck Hull è stato il ragazzo che ha dato il via a tutto", afferma Phil Kilburn, responsabile vendite presso la società di stampa 3D 3T RPD. "All'epoca lavorava per Xerox e ha avuto l'idea di mettere gli inchiostri uno sopra l' altro per creare un solido modello tridimensionale. Ha intrapreso questo processo e ha avviato la prima azienda di stampa 3D, 3D Systems.'
All'inizio
La stampante 3D originale di Hull utilizzava una luce ultravioletta per disegnare una forma bidimensionale sulla superficie di una vasca di fotopolimero liquido, una sostanza che diventa solida se esposta ai raggi ultravioletti. Questo processo si verifica più e più volte, costruendo livelli 2D per creare un oggetto 3D. Sebbene i processi e i materiali utilizzati nelle stampanti 3D abbiano fatto molta strada da allora, i rudimenti rimangono gli stessi.
"Le macchine che utilizziamo ora utilizzano i laser", afferma Martyn Harris, responsabile IT di 3T RPD. 'Il processo è estremamente intelligente, ma nella sua forma base è molto semplice: prendi un po' di polvere e scioglila. Quindi nelle nostre macchine hai un letto di materiale in polvere, ad esempio nylon, che viene riscaldato nella camera della stampante appena al di sotto del suo punto di fusione. I laser tracciano quindi sezioni trasversali bidimensionali del componente che si desidera produrre sulla polvere, fondendo ogni volta uno strato 2D. Una volta tracciato uno strato, il letto della stampante scende, diciamo, di 120 micron [0,12 mm], quindi un braccio di ricopritore stende un altro strato di materiale in polvere sulla parte superiore e il processo ricomincia, con il tracciamento laser il livello successivo.'
Questo processo si basa sul metodo della "sinterizzazione", in cui ad alte temperature gli atomi nelle particelle di una polvere si diffondono l'uno nell' altro e diventano un pezzo solido. Ma non basta puntare un laser su della plastica e aspettarsi che emerga un oggetto utile.
"Quello che fai per prima cosa è creare un modello CAD 3D [computer-aided design] di ciò che vuoi realizzare", afferma Harris.“Quindi, utilizzando un software su misura, impacchetta i modelli in uno spazio 3D virtuale che rispecchia le dimensioni del letto della stampante. Da lì salvi tutti i tuoi file in STL - stereolitografia o file triangolati - e quando hai i file pronti li tagli praticamente tutti nello spessore che stai costruendo. Tutti quei file tagliati vengono inviati al computer che controlla la stampante e quindi è solo un caso di premere go e la stampante lo stamperà. Ironia della sorte, molte parti di queste stampanti sono stampate su altre stampanti qui, quindi si sono ripetute da sole.'
Harris è stato coinvolto in 3T RPD negli ultimi 13 anni e, più recentemente, ha fondato Race Ware, un'azienda di componenti per biciclette che produce i suoi prodotti, dai supporti Garmin in plastica ai bloccacatena in titanio, utilizzando le stampanti 3T RPD.
"Ci sono entrato perché gestisco un SRM e ho un paio di barre Easton TT", dice Harris. 'Quando sono andato a cercare un supporto per barra, tutto ciò che ho trovato è stato un orribile kit di adattatori, quindi ho pensato di crearne uno mio. Ho pensato che se ne stavo facendo uno per me, avrei visto se anche qualcun altro ne avesse voluto uno, quindi sono andato su un forum TT e ho chiesto in giro. Questo ragazzo chiamato Jason Swann ha detto che ne voleva uno Garmin, ed era un designer CAD, quindi mi ha dato il design. Ci sono voluti solo tre o quattro mesi per passare dalla prima iterazione alla versione che stiamo vendendo ora.'
Come indica Harris, uno dei principali progressi che derivano dalla produzione 3D è la velocità e la facilità con cui i prodotti possono essere prodotti e levigati. Il processo complessivo dal tavolo da disegno all'articolo finito è eccezionalmente veloce rispetto ai metodi più tradizionali, anche se i tempi di costruzione possono richiedere da poche ore a circa una settimana, a seconda della complessità e del numero dei prodotti da stampare.
"A differenza di altri processi di produzione, come lo stampaggio a iniezione, con la stampa 3D non ci sono strumenti", afferma Harris. "Tutto quello che devo fare è creare il modello CAD, eseguire alcune prove, apportare alcune modifiche e poi, quando sono soddisfatto, iniziare a stampare. Le persone hanno difficoltà a capirlo. Mi chiedono qual è il tempo di consegna e io posso rispondere: "Due o tre settimane", mentre sono abituati a qualcuno che dice: "Sarà pronto entro il quarto quarto del prossimo anno".'
Prototipazione rapida
Ovviamente 3T RPD e Race Ware non sono soli; ci sono altri produttori e industrie che attualmente stanno raccogliendo i frutti della stampa 3D e stanno cercando di spingersi oltre i confini. Audi ha utilizzato i robot di stampa 3D per creare la concept car RSQ che è apparsa nel film I, Robot; I team di Formula 1 come la Sauber utilizzano condotti dei freni stampati in 3D sulle loro auto e, più recentemente, lo studio di architettura olandese Dus Architects ha annunciato l'intenzione di stampare in 3D un'intera casa. Quindi, se tutto questo è fattibile (la casa sarà presumibilmente costruita in parti su una stampante alta sei metri chiamata "KarmerMaker"), quali potrebbero essere le implicazioni per le biciclette stesse? Un uomo che pensa di sapere è il capo della ricerca e sviluppo di Ridley Bikes, Dirk Van den Berk.
"Negli ultimi due o tre anni abbiamo stampato piccoli componenti prototipo, come il freno per la forcella Noah Fast", afferma Van den Berk. "Ma per la prima volta quest'anno [2013] abbiamo stampato un intero telaio come parte dello sviluppo della nostra nuova versione della bici Dean TT. Non è abbastanza forte per essere guidato o sottoposto a stress test, ma è ottimo per i test aerodinamici nella galleria del vento e per i test di assemblaggio, dove possiamo costruirlo con componenti reali per vedere che tutto si adatta.'
Come con Race Ware, questo particolare tipo di stampa 3D, noto come prototipazione rapida, consente a Ridley di apportare modifiche in modo rapido ed economico. 'The Dean ha iniziato con le forme dei tubi da testare nel tunnel. Quindi abbiamo costruito telai completi. Li testiamo, valutiamo, quindi torniamo indietro e apportiamo piccole modifiche. Questa è la cosa grandiosa: piccole modifiche possono essere apportate molto velocemente. Devi solo premere un pulsante e attendere che la stampante smetta di stampare.
'In precedenza avresti utilizzato computer e software per creare una cornice, fino al punto in cui hai dato il via libera e i produttori di cornici iniziano a tagliare gli stampi. Anche se la stampa 3D non è una tecnologia economica, è sicuramente più economica che aprire uno stampo, vedere qualcosa che non va nella cornice e dover ricominciare da capo”, aggiunge Van de Berk.
Quindi, se aziende come 3T RPD possono stampare su metallo e produttori come Ridley stanno già stampando interi prototipi di telai per biciclette, perché non possiamo mettere insieme i due e iniziare a stampare biciclette percorribili?
'Per un telaio completo è piuttosto difficile a causa del modo in cui un telaio viene caricato durante la guida', spiega Van den Berk. “È una struttura complessa che deve essere in grado di affrontare tutti i tipi di stress e sollecitazioni. Con il carbonio, il modo in cui crei gli strati è ciò che rende un telaio forte o rigido in una certa direzione. Con la stampa è molto più difficile controllare le proprietà di
il materiale ed è questo che rende difficile la produzione del telaio. Tuttavia, le cose stanno certamente andando in quella direzione.'
Economie di scala
Di nuovo oltre la Manica a Bristol, c'è un'azienda per la quale la re altà dei telai stampati in 3D si sta avvicinando sempre di più, almeno in parte.
Charge Bikes ha collaborato con EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) per creare i primi dropout stampati in produzione. Realizzati in titanio Ti6Al4V, i forcellini vengono stampati presso la struttura di EADS prima di essere spediti a Taiwan per essere saldati alle bici da cross freezer di Charge. Tuttavia, mentre i test EN e gli estenuanti otto mesi sotto il pilota professionista di Charge Chris Metcalfe hanno dimostrato che i dropout hanno lo stesso successo dei loro cugini CNC, loro e il processo di cui fanno parte non sono privi di limitazioni.
Neil Cousins di Charge afferma: Attualmente i dropout stampati aggiungono il 20% al costo di un telaio standard per congelatore, in parte perché ogni build può produrre solo un massimo di 50 dropout a causa delle dimensioni della stampante. Siamo anche vincolati dal numero di stampanti disponibili – attualmente solo altre tre aziende nel Regno Unito le hanno – e dall'esperienza e dalle competenze necessarie per usarle.'
Cousins sottolinea che non c'è motivo per cui in futuro il costo di produzione di tali parti non possa scendere con l'aumento delle dimensioni e dei numeri delle macchine, ma per il momento è realistico su dove sia diretta la tecnologia: Siamo escogitando sempre progetti per le parti e ho appena assunto un nuovo designer industriale qui. Una cosa da ricordare è che molte parti saranno così costose che dobbiamo stare attenti a non fare qualcosa che rimarrà per anni sugli scaffali dei nostri distributori. Detto questo, molti dei grandi attori del settore delle biciclette si sono messi in contatto con noi e con EADS per ottenere maggiori informazioni sulla tecnologia e, a breve termine, posso facilmente vedere che la stampa 3D viene utilizzata per realizzare componenti come mozzi, mech e cassette.'
Martyn Harris di Race Ware potrebbe essere un passo avanti, avendo collaborato con il guru aerodinamico Simon Smart per realizzare uno stelo in titanio. Sebbene lungi dall'essere un articolo finito e vendibile (Harris stima che la versione attuale gli sia costata £ 5.000, quindi spostarne uno potrebbe essere un po' difficile), serve solo a dimostrare a quale livello si trova attualmente la stampa 3D e anche a cosa ci vorrà per arrivare dove aziende come Race Ware e Charge vorrebbero andare.
"La chiave per il futuro della stampa 3D è comprendere il processo", afferma Phil Kilburn di 3T RPD. “Ci è voluto molto lavoro missionario da parte nostra per convincere le persone a credere nella tecnologia, per educare le persone su ciò che può e non può fare. Solo una volta compreso il processo puoi trarne vantaggio. Non è ancora arrivato, ma quando lo farà, la stampa 3D esploderà.'
La stampa fine: come funziona effettivamente la stampa 3D
- Oltre a costruire in plastica, 3T RPD ha una serie di macchine che stampano parti metalliche, come questi raccoglicatena in titanio commissionati da Race Ware.
- La camera della stampante viene riscaldata a 70°C, prima che un singolo laser a fibra, operante a 1.000°C+, tracci gli strati bidimensionali in un letto di polvere di titanio.
- La brillante luce bianca che puoi vedere non è il punto del laser, ma piuttosto una luce intensa che viene emessa quando il titanio in polvere si fonde.
- I raccoglicatena sono costruiti in strati da 20 micron: dopo che ogni strato è stato tracciato, il piano della stampante scende di 0,02 mm prima che venga sparso un nuovo strato di polvere.
- I letti per stampanti in metallo tendono ad essere molto più piccoli dei letti per stampanti in plastica. Ma le ultime macchine di 3T RPD sono già costruite del 50% in più rispetto ai loro predecessori.
- Il grosso problema con le stampanti più grandi è rappresentato dai laser di messa a fuoco. Le stampanti in metallo più piccole utilizzano un singolo laser, mentre le stampanti in plastica di area più ampia devono utilizzarne due.
- La stampa di tre raccoglicatena in titanio richiede circa quattro ore. È possibile schiacciarne fino a 50 nel letto della stampante, ma il tempo di costruzione aumenterà a circa 12 ore.
- Al termine della costruzione, le parti possono essere rimosse quasi come recuperare una pietra da un mucchio di sabbia. Gran parte della polvere rimanente viene riciclata e rimessa nella build successiva.