Hvordan 3D-skrivere fungerer

I løpet av de siste par årene har vi sett et stort utvalg av 3D-skrivere som Lulzbot Mini blir gjort tilgjengelig for forbrukerne. Det fantastiske er at i virkeligheten er de fleste forbruker-grade 3D-skrivere overraskende enkle dyr, og det er ikke så mye for dem som du kanskje tror.

Faktisk er en grunnleggende 3D-skriver ikke mye mer enn en glorifisert stasjonær robot med en hjerne laget av billig 8-bits mikrokontroller teknologi som har eksistert i 20 år eller så.

Forrige Side 1 av 14 Neste Forrige Side 1 av 14 Neste

Hjernene til Arduino

I 2005, lenge før Raspberry Pi, kom et par italienske ingeniørlærere opp med ideen om å lage et lite datasett som var billig og lett å bruke, slik at alle kunne mate digital databehandling med virkelige komponenter som motors, sensorer, lys og bytter. Det kalles 'Arduino', det er tatt verden med storm og det er basert på en mikrokontroller teknologi opprettet tilbake i 1997.

Du vet uten tvil om 'mikroprosessorer' som driver din PC, telefon eller nettbrett - men en mikrokontroller er annerledes. Mens en mikroprosessor trenger et fjell med ekstra komponenter for å håndtere minne og lagring og snakke med omverdenen, har mikrokontrollere små mengder alt som bygget rett inn i brikken.

I tillegg bruker du smart teknologi som kalles analog-til-digital-konvertering, kan de også lytte til omverdenen. De brukes i en myriade av single-funksjon eller "embedded" applikasjoner, inkludert droner, som vi så fra forrige måned.

De aller fleste 3D-skrivere i forbrukergrader har en mikrokontroller av Arduino Mega-klasse i sitt hjerte, og du finner Arduino Mega board kloner på eBay som er relativt billige.

Forrige Side 2 av 14 Neste Forrige Side 2 av 14 Neste

Hot-end

Spissen på en 3D-skriver er faktisk "hot-end" eller ekstruderen, og kombinerer en motordrift for å skyve filament gjennom en brukerinnstillbar hastighet, med et varmeelement som setter plastfilamentet i en myk, smeltet goo på dysen.

Typisk laget av messing, har hot-end et lite reservoar hvor filament oppvarmes via en liten varmeapparat (en elektronisk komponent kalt en 'motstand') opp til så høyt som 250 ℃ (482 ℉).

Forrige Side 3 av 14 Neste Forrige Side 3 av 14 Neste

Stepper motorer

Men nøkkelen til 3D-utskrift er manøvrering av den varme filamentdysen til riktig sted til rett tid, og leverer det smeltede plastfilamentet for å bygge 3D-objektet ett lag av gangen.

Jobben med å gjøre manøvreren faller til en spesiell type motor som kalles en "stepper motor". Vanlige motorer er ganske enkle gadgets - du bruker en elektrisk spenning til sine terminaler og de spinner.

Med noen kan du bytte ledningene (kalt "reversere polariteten") og motoren spinner i motsatt retning. Steppermotorer er imidlertid helt forskjellige. Ved hjelp av flere elektromagneter kan en trinnmotor rotere i presisjonstrinn, så presis som 200 trinn per revolusjon.

De vanligste typene som brukes i industrien er kjent som NEMA (National Electrical Manufacturers Association) motorer, som har standardiserte fysiske dimensjoner som gjør dem enklere å jobbe med.

For å lage en 3D-skriver trenger du minst fire steppermotorer - en for hver av de tre bevegelsesaksene, pluss en for å kontrollere strømmen av filament. Imidlertid vil de fleste design bruke fem, med to for vertikal eller 'Z' akse.

Forrige Side 4 av 14 Neste Forrige Side 4 av 14 Neste

RAMPS

Problemet med Arduino Mega styret er imidlertid at den ikke har den elektriske brawnen til å kjøre en NEMA-17 stepper motor alene, så den brukes ofte med en rekke stepper motor driver sjetonger som gir tilstrekkelig muskel til å strømme motorer.

3D-utskriftssamfunnet har opprettet en spesiell tilleggsplattform eller "skjold" for Arduino Mega som inneholder disse sjåførspillene kalt RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield). Det er et generell 3D-skriverkort som er designet for å håndtere et bredt spekter av 3D-skriverdesign.

Forrige Side 5 av 14 Neste Forrige Side 5 av 14 Neste

firmware

3D-skrivere i forbrukergrader forbinder til en PC (eller telefon, jevn) via USB, så i hovedsak er de bare en USB-perifer enhet.

Men for at denne samlingen av maskinvarebiter skal gjøre noe, må Arduino Mega-mikrokontrolleren lastes med fastvare som gjør utskriftsinstruksjonene fra PCen til faktiske bevegelser og flytende filament fra skriverens andre komponenter. Marlin er en av de mest populære firmaene og kan lastes på en Arduino Mega uten for mye oppstyr.

Forrige Side 6 av 14 Neste Forrige Side 6 av 14 Neste

programvare

På PC-siden trenger du programvare for å gjøre 3D-design til fysiske gjenstander. Programvare som Repetier-Host tar stereolithography (STL) -filer du laster ned fra Thingiverse, skiver dem inn i rader og mater hver rad i sin tur til Arduino Mega-kortet inne i 3D-skriveren.

Repetier-Host er gratis og tilgjengelig for Windows, Mac OS X og Linux. Du kan også skrive ut direkte fra smarttelefonen din med GCodePrintr på Google Play.

Andre alternativer inkluderer den nye MatterControl Host, igjen for Windows, Mac OSX og Linux og Ultimaker's Cura.

Forrige Side 7 av 14 Neste Forrige Side 7 av 14 Neste

Innovasjoner i 3D-utskrift

Det er ikke overraskende at regjeringer ser på slike som robotteknikk og 3D-utskrift som fremtidige økonomiske drivere - for å bruke et godt hackneyed-uttrykk, de er "forstyrrende teknologier", teknologier som forandrer måten vi gjør ting på.

Likevel, det ville være rettferdig å si at 3D-utskrift ikke akkurat har fanget den gjennomsnittlige personen nok til å gå og kjøpe en. Men i løpet av de siste månedene har 3D-utskrift gjort ganske flotte sprang fremover i alt fra luftfart til helse, inkludert noen imponerende hjemmelagde seire.

Forrige Side 8 av 14 Neste Forrige Side 8 av 14 Neste

3D-trykt jetmotor

Land blir stadig mer interessert i teknologiene som brukes til 3D-utskrift. For eksempel, i slutten av mars i år annonserte Australia seg som et senter for 3D-utskrift innovasjon da Monash University, i kombinasjon med CSIRO og Deakin University, avduket den første 3D-trykte jetmotoren på Avalon International Airshow.

Teamet, ledet av Monash University professor Xinhua Wu, ble gitt en arbeidsgassturbinmotor, brukt som en hjelpekilde i "Falcon 20" -fly fra fransk luftfartsproduktør Microturbo.

Monash-teamet trukket fra hverandre motoren, 3D-skannet hver komponent og brukte de siste triksene i sin kitbag, stille utskrift av to flere. Monash har siden spunnet et nytt firma, Amaero Engineering, for å kommersialisere teknologien og gi lokale bedrifter en sjanse til å dra nytte av.

Forrige Side 9 av 14 Neste Forrige Side 9 av 14 Neste

Benutskifting

Men utskrift av jetmotorer er ikke det eneste Australia ser ut til å være ganske bra på. For ikke å være ute, har universitetet i Sydney University begynt å prøve 3D-trykte beinimplantater hos pasienter med alvorlig hodetrauma - med stor suksess.

Den nye teknikken, kalt "rask templating cranioplasty", er utviklet i forbindelse med nevrokirurger på Liverpool Hospital i New South Wales. Den bruker pasientens tidligere radiografiske skanninger for å lage et sterilisert, pasient-perfekt implantat trykt fra en polymerbasert bensement.

Fordelene for pasienter og kirurger er at det ikke bare er billigere, det er også sterkere, raskere å lage og sikrere for pasienter enn tidligere metoder.

Forrige Side 10 av 14 Neste Forrige Side 10 av 14 Neste

Super-rask 3D-utskrift

En av de sannsynlige årsakene til den tilsynelatende mangelen på forbrukerinteresse i 3D-utskrift, har vært de lave utskriftshastighetene for FDM (fused deponeringsmodellering) teknologi av forbrukergrad. Men i de siste månedene har det vært noe av et gjennombrudd i stereolithography (SLA) 3D-utskrift.

California-baserte Carbon3D har utviklet en ny teknologi kalt CLIP (kontinuerlig flytende grensesnittproduksjon) som hevder å levere utskriftshastigheter på mellom 25 og 100 ganger raskere enn dagens SLA tech.

Stereolitografi bruker ultrafiolett (UV) lys til å kurere polymerbaserte harpiks i 3D-objekter, men mens en bestemt gjenstand ved hjelp av tradisjonell SLA-teknologi kan ta i nærheten av 12 timer for å skrive ut, kan samme jobb gjøres med CLIP på under syv minutter, en forbløffende forbedring.

Og Carbon3D snakker om trykk i kommersiell kvalitet på den hastigheten, noe som sannsynligvis vil åpne opp en rekke nye muligheter i prototyping og småbrutt bransjer.

Forrige Side 11 av 14 Neste Forrige Side 11 av 14 Neste

Utskrift av elektriske kretser

En av morgendagens tekniske mål er evnen til å gjøre unna med relativt dyrt og restriktive elektroniske kretskort og direkte utskrift av elektriske kretser ved hjelp av 3D-utskriftsteknikker. Tidligere var filamentledningsevnen en ganske lav 10.000ohms per centimeter, for lav for mye annet enn meget lavt effektfølere.

I dag har US-oppstartsfunksjonen sluttet seg sammen med filamentmakeren ProtoParadigm for å skape en ny filament kalt "F-Electric" med en mye forbedret konduktivitet på 0,47 ohm per centimeter.

Likevel, med kretskort som bruker nesten rent kobber som har 0,001001 ohm per sentimeter konduktivitet, har ledende filament fortsatt en god måte å gå ennå for å nå disse tallene. Men forbedringene som er gjort i løpet av de siste månedene, tyder på at vi ikke har nådd slutten ennå.

På US $ 142 for omtrent et halvt kilo, er F-Electric ikke akkurat billig, men med ganske rimelig ledningsevne er det potensial for mange applikasjoner, særlig ettersom utskriftshastighetene øker. Oppfinner av RepRap open-source 3D-skriverprosjektet Adrian Bowyer, planlegger å bruke materialet til fullt 3D-utskrift av en Arduino-stil robot, kretser og alle.

Forrige Side 12 av 14 Neste Forrige Side 12 av 14 Neste

Budsjett 3D-skrivere

I mellomtiden fortsetter bølger av forbruker-grade 3D-skrivere å komme. Du spør sannsynligvis deg selv 'Hvorfor trenger jeg en 3D-skriver', men du kan snart bruke en i studiet, jobbe eller bare være mottaker av produksjonen fra en, gjennom medisinsk protese eller reise rundt om i verden.

En av de nyeste forbrukermodellene, på grunn av treff i september i år, er X3D Machines 'Genesis-serien. Starte livet som nesten alle 3D-skrivere ser ut til å - på Kickstarter - kunne tidligfuglene plukke opp den stilige enkelthodet Genesis Uno for US $ 199 pluss frakt. Med et anstendig 9 x 9 x 12 tommers volum, LCD-panel og aluminiums chassis, ser Genesis Uno ut som om det kunne tørke gulvet med noen post-$ 1000-skrivere som er tilgjengelige.

Og det er ikke engang den billigste - den nye Tiko er en annen Kickstarter alumni, med det populære tri-carriage-deltaet-designet og en pris på USD 179. Med en unibody ramme og vedlagt design, vil Tiko håndtere et bredt utvalg av filamenter, inkludert PLA, ABS og Nylon. Den har nå over USD 1,2million i støtte ved skrivingstidspunktet.

Deretter er det Flux, som mottok over 1,6 millioner dollar til støtte fra Kickstarter og kombinerer en delta-stil 3D-skriver med innebygd 3D-skanner og lasergravering. Tidlige fugler grep det for så lite som 599 kr i frakt.

Forrige Side 13 av 14 Neste Forrige Side 13 av 14 Neste

Skru en 2D-skriver inn i 3D?

Men en ide som bare kan slå hodene, er Printder, som hevder å konvertere en vanlig sub- $ 100 2D-skriver til en 3D-skriver.

Som enhver 2D-skriver, fungerer den av blekk og papir, men hvordan det skaper 3D-objekter, høres ganske smart ut. Ifølge nettsiden blir hvert ark av spesialpapiret et 3D-lag, med blekktrykket som fungerer som lim. Når du har skrevet ut alle sidelagene som utgjør objektet ditt, tar du utmatingspapirskuffen og smekker det i ovnen i 15 minutter for å la blekkene smelte sammen sidene (det er ingen lukt, sier de). Etter at du la det kjøle seg, dunkker du hele greia i vann, det overskytende papiret løses og du er igjen med 3D-objektet ditt.

Med en A4-blekkskriver har du et A4-størrelse byggområde (30 x 21 centimeter) opp til en "høyde" på seks tommer (15 centimeter).

Det høres veldig enkelt ut, men det er fortsatt mange ukjente på skrivingstidspunktet, for eksempel skriverne det skal fungere med, kostnaden for blekk og kostnaden for det spesielle dunk-and-disappear papiret. Vi lurer også på hvordan oppgavesyklusen til de fleste budsjettprintere vil takle arbeidsbelastningen. Likevel er vi fascinert av denne, så vi holder øye med det.

Forrige Side 14 av 14 Neste Forrige Side 14 av 14 Neste
aksjer