Kako izdelati barvne mavčne škrate

Tiskalniki so danes del pisarniškega vsakdanjika, taki, ki dobesedno izdelujejo objekte, torej tiskajo v treh dimenzijah, pa so širši javnosti praktično neznani. Razen seveda v okviru znanstvene fantastike, recimo replikator iz serije Zvezdne steze. Zaradi vse nižjih cen teh naprav se je to področje v zadnjih nekaj letih močno razširilo.

No, priznati moramo, da je kljub dostopnosti in razširjenosti 3D tisk še vedno nišno področje, s katerim se ukvarja razmeroma malo podjetij. Je pa hkrati tudi področje, ki še vedno raste, in od katerega se v prihodnosti pričakuje vse več.

To tehnologijo se uporablja na več področjih, eno izmed bolj zanimivih pa je izdelava prototipov za različne namene. Lahko gre le za pomoč pri računalniškem oblikovanju, torej da si laže predstavimo neki izdelek. Danes se tako ali tako večina naprav, ki jih uporabljamo, oblikuje z računalniškimi programi, 3D tiskalniki pa omogočajo hitro izdelavo tako narejenega objekta. Oblikovalci, recimo kakega novega mobilnega telefona, imajo lahko razmeroma hitro (no, še vedno potrebujejo kak dan) neki izdelek v fizični obliki že v svojih rokah. Tako pa se laže prepričajo (oziroma laže prepričajo nadrejene), da je oblika prava.

Pri starejšem načinu dela se ti izdelki oziroma prototipi večinoma izdelujejo na roke. Stvar je v tem, da se le za par izdelkov seveda nikakor ne izplača postavljati nekih resnejših proizvodnih linij. Te so danes praviloma prilagojene ozkemu spektru različnih naprav, 3D tiskalnik pa zmore natisniti oziroma izdelati še tako nenavadne oblike - to tehnologijo so začeli uporabljati tudi nekateri arhitekturni biroji.

Še zadnji koraki pri pripravi izdelka, narejenega iz prahu. Ta tehnologija omogoča tisk v barvah, za večjo trdnost izdelka se lahko uporabi še dodaten premaz.

Naš škrat v vsej svoji veličini, izdelan s prašnim tiskom.

Seveda ni nujno, da izdelujemo prototipe le zaradi videza oziroma oblikovalskih potreb. Veliko se izdeluje tudi posamezne komponente različnih strojev za funkcijsko preizkušanje. Inženirji lahko izdelajo vsak kos neke naprave in preverijo, kako bodo te komponente delovale, koliko bodo zavzele prostora ali pa, kako se bodo prilegale druga drugi.

Še bolj praktična uporaba je proizvodnja modelov, ki se nato uporabijo za izdelavo kalupov za vlivanje. Primer je zlatarstvo, kjer lahko oblikovalec že v računalniku izdela novo obliko, recimo prstana, datoteko pa enostavno pošlje v izdelavo s 3D tiskalnikom. Gre za enostavnejši, hitrejši, predvsem pa cenejši postopek, kot pa je ročno oblikovanje nakita.

Tako uporabo pozna vse več industrij, od avtomobilske, čevljarske, pohištvene, tako se izdeluje tudi vse več novih igrač, tudi dele gospodinjskih aparatov, za pripravo plastenk in podobnih embalaž, seznam pa je iz dneva v dan daljši.

Zanimivo pa je tudi 3D tiskanje v navezi s 3D optičnim branjem (skeniranjem). Tako lahko naredimo fizično kopijo nekega objekta, lahko zato, da dejanski objekt shranimo, ali pa da imamo kopijo za arhiviranje. To se uporablja, denimo, v arheologiji, kje lahko naredimo objekt, ki ga postavimo na ogled, original pa ostane na varnem. Tehnologija pa se uporablja tudi za izdelavo manjših kopij velikih objektov, recimo kipov in drugih predmetov, ki sodijo v okvir kulturne dediščine.

Pri tem pa je treba poudariti, da se 3D tisk praktično ne uporablja za končno izdelavo izdelkov, vsaj ne v večji meri. Razlogov za to je kar nekaj, največji pa je po vsej verjetnosti cena. Še vedno je bistveno ceneje postaviti proizvodno linijo za izdelavo velikih količin izdelkov, sploh če se jo postavlja v državah, ki so tako ali tako cenejše za industrijo (Kitajska, Indija, Tajvan). Pomemben dejavnik pa je tudi hitrost, saj potrebujejo 3D tiskalniki tudi po en dan in več za izdelavo enega kosa, medtem ko lahko velike proizvodne linije izdelke izdelujejo z vratolomno hitrostjo. 3D tisk torej nikakor ne ogroža proizvodnih linij in tovarn, predstavlja pa grožnjo posameznikom, ki so se dotlej zanašali na ročne spretnosti in fizično izdelavo različnih izdelkov.

Ogledali smo si tri različne tehnologije 3D tiska, ki pa niso edine.

"Prašna metoda"

Prva deluje na osnovi finega prahu, gre pa za licenčno tehnologijo podjetja Z Corporation, kjer črka "z" označuje tretjo koordinato v kartezijskem koordinatnem sistemu (podjetje je sicer ameriško).

Princip delovanja je nekoliko podoben navadnim brizgalnim tiskalnikom. Na podlago se najprej nanese izredno tanek sloj prahu, debel 0,1 mm. Na ta sloj se v želeni obliki nabrizga tekoče lepilo, ki je lahko tudi obarvano. Ko se lepilo strdi, se čez nanese naslednji sloj prahu, ta postopek pa se nadaljuje, dokler ni izdelan celotni model. Tega se še spiha vsega odvečnega prahu, torej tistega, do katerega ni prišlo lepilo, ostane tako le končni izdelek.

Ta tehnologija je edina, pri kateri lahko izdelamo že pobarvan model, najzmogljivejši stroj zna natisniti kar 390 tisoč barv. Model lahko še dodatno zaščitimo s premazom, ročno pobarvamo, zbrusimo itd. Gre tudi za najhitrejšo izmed predstavljenih tehnologij, saj lahko tiska s hitrostjo do 28 milimetrov na uro. Tudi ločljivosti so zelo dobre, do 600 × 540 DPI (pik na palec), najmanjši posamezni izrastek na modelu je lahko velik do (oziroma majhen) 0,1 mm.

Podjetje seveda prodaja kar nekaj različnih tovrstnih strojev, od najzmogljivejšega Zprinter 650, ki velja 60 tisoč ameriških dolarjev, pa do najosnovnejšega Zprinter 150, ki se ne spozna na barve in ima ločljivost 300 × 450 DPI, velja pa 15 tisoč USD. Vsi so relativno velike, samo-stoječe naprave.

Vosek

Naslednja tehnologija, ki smo si jo ogledali, uporablja za izdelavo modelov vosek. Ta tiskalnik je opazno manjši od prej opisanega, izdelovalec pa je zopet ameriško podjetje, ki se imenuje Solidscape. Njihova naprava je videti kot povsem navaden srednje velik laserski tiskalnik (prodajajo sicer tudi večje).

Ta ima dve posodi, v katerih vlijemo dva različna tekoča voska. Med njima je bistvena razlika ta, da se eden stopi pri približno 45 stopinjah Celzija, drugi pa pri približno 65 stopinjah. Tako kot prej se material nabrizga na podlago, s tem da se za dele, ki predstavljajo končni model, uporablja drugi vosek, torej ta, ki se stopi pri višji temperaturi. Prvi vosek pa predstavlja ogrodje oziroma podporo modelu, podobno kot podporni odri pri gradnji kakih mostov. Spet se torej gradi po posameznih slojih, ti pa so lahko debeli tudi le 0,012 mm. Med vsakim nanosom se lahko uporabi frezo, ki zgladi že narejeni sloj.

Po končanem postopku dobimo model, ki pa je še močno obdelan z omenjenim podpornim voskom. Vse skupaj se postavi v tekočino, ki je segreta na 55 stopinj Celzija. Tu se odporni vosek stopi, ostane pa končni model.

Prednost te tehnologije je predvsem natančnost oziroma visoka ločljivost izdelave, ki gre vse do 5000 × 5000 DPI, a je zato malce počasnejši. Cene se gibljejo nekje od 30 pa do 45 tisoč USD, naprave pa so načelno namenjene predvsem za modele, ki rabijo za izdelavo kalupov, denimo za zlatarsko industrijo.

Tiskalnik, ki za izdelavo modela uporablja vosek, je relativno majhen, predvsem pa manjši od naprav, ki uporabljata drugi dve tehnologiji.

Ko stalimo violični vosek (zgoraj), ki predstavlja oporo, ostane samo še zelo natančen in krhek moder škrat.

Plastika

Tudi zadnji "tiskalnik", Zbuilder Ultra, je iz podjetja Z Corporation, gre pa za razmeroma novo tehnologijo. Tu se za izdelavo uporablja plastika (oziroma foto-polimer), ki je sprva v tekoči obliki. Ta se nalije na podlago, nanjo pa posveti DLP projektor; del plastike, na katero pade svetloba, se pri tem strdi. Tako kot pri prvih dveh tehnologijah se dodajajo posamezne plasti, ki so lahko izredno tanke, do 0,05 milimetra (oziroma 50 mikronov). Ločljivost v X in Y koordinatah je sicer manjša kot pri prejšnjih tehnologijah - do 200 DPI.

Za tanjše oziroma robne dele modela se tu po potrebi izdela še podporna struktura, in sicer iz enakega materiala, kot je sam model. To ogrodje pa se mora ročno odrezati po končanem postopku. To tehnologijo uporabljamo predvsem za področje klasičnega prototipiranja (matematične forme, ne toliko za "organske" izdelke), saj so končni modeli natančno izdelani iz polimera in imajo lastnosti prave plastike. Hitrost izdelave pa je nekje vmes, do slabih 13 milimetrov na uro.

Izdelek iz plastike je že praktično končan. Spodaj, pod podstavkom, se lepo vidi podporna struktura, ki se jo ročno odreže.

Končni produkt, izdelan iz plastike.

Poleg teh treh je še nekaj tehnologij 3D tiska, najbolj znana pa je tudi ena izmed starejših. Gre za t. i. "Fused deposition modeling", kjer šobe brizgajo stopljeno plastiko neposredno na model, spet po posameznih plasteh. Pojavljajo pa se tudi projekti, ki želijo izdelati 3D tiskalnik za domačo rabo. Zanimiv je projekt RepRap, ki je objavljen pod licenco GNU General Public Licence, njegov cilj pa je narediti odprtokodni 3D tiskalnik, ki bo lahko izdelal kopijo samega sebe. Kakor nalašč za scenarij kakega znanstvenofantastičnega filma, torej.

Za sodelovanje pri pripravi članka se zahvaljujemo podjetju IB Procadd, www.ib-procadd.si.