Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D Printing) αποτελεί μια σπουδαία επανάσταση στο χώρο της τεχνολογίας και η παρουσία της γίνεται όλο και εντονότερη, μέρα με τη μέρα, σε πολλούς τομείς, από τη βιομηχανική παραγωγή, την ιατρική, την τέχνη, την αρχιτεκτονική και την επιστήμη, μέχρι την ένδυση, τη διακόσμηση και τη δημιουργία ποικίλων καταναλωτικών προϊόντων.
Παράλληλα, με τους 3D printers οικιακής χρήσης να συνεχίζουν να γίνονται όλο και πιο προσιτοί, αποκτώντας μεγαλύτερο μερίδιο στην αγορά, η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης έχει πλέον ξεφύγει από τα στενά όρια ενός εξειδικευμένου καταναλωτικού κοινού και πολύ σύντομα θα γίνει βασικό «εργαλείο» στην καθημερινότητά μας. Για να είσαι λοιπόν απόλυτα προετοιμασμένος όταν θα έρθει εκείνη η ώρα, οι παρακάτω ερωτοαπαντήσεις θα σε βοηθήσουν να κατανοήσεις πώς ακριβώς λειτουργεί η τρισδιάστατη εκτύπωση και πώς μπορείς να την αξιοποιήσεις.
Τι είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση;
H τρισδιάστατη εκτύπωση είναι μια διαδικασία παραγωγής αντικειμένων τριών διαστάσεων, η οποία λειτουργεί προσθετικά. Η συγκεκριμένη μέθοδος κατασκευής διαφέρει από την κατεργασία κοπής, καθώς, αντί να παίρνει ένα μεγάλο κομμάτι και να αφαιρεί βαθμιαία (πλεονάζον) υλικό, η τελική μορφή του παραγόμενου αντικειμένου δημιουργείται μέσω της διαδοχικής πρόσθεσης επάλληλων στρώσεων υλικού. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως Προσθετική Κατασκευή (Additive Manufacturing).
Παρ’ όλο που υπάρχουν διάφορες τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης, όλες στηρίζονται σε αυτή τη στρωματική προσέγγιση, ενώ διαφέρουν ως προς το υλικό που μπορούν να χρησιμοποιήσουν, καθώς και στον τρόπο με τον οποίο δημιουργούνται και συγκολλώνται μεταξύ τους οι στρώσεις.
Τι μπορώ να κατασκευάσω;
Θεωρητικά μπορείς να κατασκευάσεις οποιοδήποτε αντικείμενο μπορείς να φανταστείς εφόσον υπάρχει ένα ψηφιακό τρισδιάστατο σχέδιο, με ίσως μοναδικό περιορισμό τα υλικά που επιθυμείς να χρησιμοποιήσεις, αν και οι επιλογές (στα υλικά) είναι πάρα πολλές. Ήδη η τρισδιάστατη εκτύπωση έχει χρησιμοποιηθεί για το σχεδιασμό και κατασκευή παπουτσιών, κοσμημάτων, παιχνιδιών, ειδών οικιακής χρήσης, συμπεριλαμβανομένων των μαγειρικών σκευών και πολλά άλλα.
Μπορώ δηλαδή να φτιάχνω αντικείμενα πατώντας ένα κουμπί;
Όλη η διαδικασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι σχεδόν αυτοματοποιημένη. Και λέμε «σχεδόν» γιατί, ανεξάρτητα από τη μέθοδο και την τεχνολογία που χρησιμοποιείται, δεν υφίσταται τρισδιάστατη εκτύπωση χωρίς τη δημιουργία του ψηφιακού τρισδιάστατου μοντέλου. Αυτό μπορεί να γίνει είτε με απευθείας χρήση προγράμματος σχεδιασμού, είτε με επεξεργασία εικόνας που έχει ληφθεί με ψηφιακή κάμερα ή μπορείς να κατεβάσεις ένα προκατασκευασμένο μοντέλο από το διαδίκτυο. Μία εναλλακτική λύση είναι η σάρωση υπαρκτών αντικειμένων μέσω τρισδιάστατου σαρωτή (3D scanner), από την οποία διαδικασία θα προκύψει το τελικό ψηφιακό τρισδιάστατο μοντέλο που χρειάζεσαι για την εκτύπωση.
Το τρισδιάστατο μοντέλο μετατρέπεται σε αρχείο τύπου .stl (Standard Tessellation Language) το οποίο αντιλαμβάνεται ο 3D εκτυπωτής. Τα αρχεία .stl περιέχουν πληροφορίες μόνο για την επιφάνεια του αντικειμένου και χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην τρισδιάστατη εκτύπωση. Υπάρχουν, όμως, και άλλοι τύποι αρχείων, όπως το .obj, που περιλαμβάνουν δεδομένα για το χρώμα και την υφή του αντικειμένου.
Στη συνέχεια, αναλαμβάνει το λογισμικό τεμαχισμού (slicing) το οποίο τεμαχίζει το τρισδιάστατο μοντέλο σε οριζόντια τμήματα (με το επιθυμητό πάχος), μετατρέποντάς το σε G-Code που περιέχει τις πληροφορίες κάθε επιπέδου του αντικειμένου καθώς αυτό εκτυπώνεται, ανά επίπεδο. Το αρχείο G-code αποστέλλεται στο πρόγραμμα που επικοινωνεί με τον εκτυπωτή και ξεκινά η εκτύπωση, διαδικασία που μπορεί να διαρκέσει από μερικά λεπτά μέχρι αρκετές ώρες ανάλογα με το μέγεθος του αντικειμένου και τη μέθοδο που εφαρμόζεται.
Σε αυτό το σημείο, αξίζει να σημειώσουμε ότι ορισμένοι εκτυπωτές 3D απαιτούν κάποια προετοιμασία πριν ξεκινήσουν να τυπώνουν, ενώ άλλοι είναι πλήρως συναρμολογούμενοι και έτοιμοι για χρήση από την πρώτη στιγμή. Μια ακόμη σημαντική σημείωση είναι ότι κάποια απλά αντικείμενα μπορούν να τυπωθούν και να είναι έτοιμα για χρήση, ενώ τα πιο πολύπλοκα μπορεί να θέλουν συναρμολόγηση, φινίρισμα και άλλες χειρωνακτικές εργασίες πριν πάρουν την τελική τους μορφή. Προφανώς, όλα έχουν να κάνουν με τον ενθουσιασμό αλλά και τη φιλοδοξία του καθενός δημιουργού.
Χρειάζεται να έχω κάποιο σχεδιαστικό ταλέντο;
Όχι, δεν χρειάζεται να έχεις κάποιο σχεδιαστικό ταλέντο ή ικανότητα για να «τυπώσεις» ένα ψηφιακό τρισδιάστατο σχέδιο. Με τον κατάλληλο τρισδιάστατο εκτυπωτή και κάποιο λογισμικό σχεδίασης εγκατεστημένο στον υπολογιστή σου, μπορείς να κατασκευάσεις αμέτρητα διαφορετικά αντικείμενα. Ακόμα και αν δεν είσαι εξοικειωμένος με την 3D σχεδίαση, τα περισσότερα μοντέλα παρέχουν δωρεάν λογισμικό σχεδιασμού μοντέλων για αρχάριους. Βέβαια, ανάλογα τον ενθουσιασμό που έχεις για το αντικείμενο, μπορείς ακόμα και να μάθεις 3D μοντελοποίηση.
Σε διαφορετική περίπτωση, ήδη υπάρχουν στο διαδίκτυο δωρεάν και επί πληρωμή ψηφιακά σχέδια για μια πληθώρα αντικειμένων, από απλά διακοσμητικά ή χρηστικά αντικείμενα, μέχρι πιο περίπλοκες κατασκευές. To GrabCAD, για παράδειγμα, είναι μία από τις πιο δημοφιλείς σχετικές ιστοσελίδες με μια τεράστια συλλογή από δωρεάν μοντέλα. Επιπλέον, ορισμένοι εκτυπωτές 3D προσφέρουν πρόσβαση σε μια ηλεκτρονική βάση δεδομένων με χιλιάδες δωρεάν σχέδια με κατάταξη σε κατηγορίες για να ξεκινήσεις την περιπέτεια της 3D εκτύπωσης.
Τεχνολογίες 3D εκτύπωσης – Τι πρέπει να γνωρίζω;
Οι τεχνολογίες ή τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την εκτύπωση τρισδιάστατων αντικειμένων ποικίλουν και κάθε μία έχει την ιδιαιτερότητά της, κυρίως ως προς τον τρόπο λειτουργίας και τα υλικά που χρησιμοποιεί. Παρακάτω περιγράφονται κάποιες από τις πιο δημοφιλείς μεθόδους τρισδιάστατης εκτύπωσης.
Στερεολιθογραφία – Stereolithography (SLA)
Η στερεολιθογραφία είναι η πρώτη ιστορικά τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης αλλά και η πρώτη που διατέθηκε εμπορικά, στα μέσα της δεκαετίας του 1980. Βασίζεται στη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας ώστε να στερεοποιήσει το υγρό φωτοπολυμερές υλικό και να κατασκευαστεί το επιθυμητό αντικείμενο. Συνήθως υπάρχει δοχείο με ρητίνη και η δέσμη στερεοποιεί μια στρώση τη φορά πριν εκτεθεί η επόμενη. Μόλις κατασκευαστούν όλα τα επίπεδα του αντικειμένου, αφαιρείται το δοχείο και η εκτύπωση είναι έτοιμη.
Λόγω του ότι το αντικείμενο κατασκευάζεται μέσα σε υγρό, χρειάζεται κάποια στήριξη. Αφού ολοκληρωθεί η εκτύπωση, η στήριξη αφαιρείται και το αντικείμενο βυθίζεται σε διαλυτική ουσία ώστε να καθαριστεί από το εναπομείναν υγρό υλικό. Η διαδικασία ολοκληρώνεται με τη θέρμανση του αντικειμένου σε φούρνο υπεριώδους ακτινοβολίας για να στερεοποιηθεί πλήρως.
Η συγκεκριμένη μέθοδος χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια και ανάλυση. Ενδείκνυται κυρίως για κατασκευή μικρών αντικειμένων, καθώς απαιτείται αρκετός χρόνος για να ολοκληρωθεί η διαδικασία.
Fused Deposition Modelling (FDM) / Free Form Fabrication (FFF)
Οι μέθοδοι FDM και FFF αποτελούν ουσιαστικά την ίδια διαδικασία. Στη συγκεκριμένη τεχνική, το υλικό περνά σε μορφή νήματος από έναν εξωθητή, ο οποίος έχει τέτοια υπολογισμένη ροπή ώστε να περνάει μια συγκεκριμένη ποσότητα υλικού. Στη συνέχεια, το υλικό περνάει σε ένα χώρο στον οποίο θερμαίνεται μέχρι να λιώσει και εξέρχεται μέσω μιας κεφαλής. Μόλις ολοκληρωθεί το πρώτο στρώμα, η βάση στην οποία είναι τοποθετημένο κινείται προς τα κάτω, ώστε πάνω από το υπάρχον στρώμα να δημιουργηθεί ένα νέο.
Σε πολλές περιπτώσεις που το αντικείμενο χρειάζεται επιπλέον στήριξη, υπάρχει μια δεύτερη κεφαλή η οποία εκκρίνει υλικό στήριξης. Αυτό το υλικό διαλύεται στο νερό, αν αυτό είναι υδατοδιαλυτό. Στο τέλος της εκτύπωσης, το αντικείμενο πλένεται με νερό υπό πίεση, ώστε να αποκολληθεί το περισσευούμενο υλικό.
Η τεχνολογία FDM/FFF είναι η πιο δημοφιλής, κάτι που οφείλεται στο χαμηλό κόστος κατασκευής εκτυπωτών που εφαρμόζουν αυτή τη μέθοδο και των υλικών που χρησιμοποιούνται, όπως θερμοπλαστικά, μέταλλα, χαρτί, κερί κ.ά.
Laser Sintering (LS) / Laser Melting (LM)
Οι μέθοδοι LS και LM αποτελούν ουσιαστικά την ίδια διαδικασία, με κύρια διαφορά τους το είδος του υλικού που χρησιμοποιούν και το ποσό της θερμότητας που ασκούν σε αυτό. Ειδικότερα, και στις δύο μεθόδους το δομικό υλικό έχει τη μορφή σκόνης και τοποθετείται σε μια δεξαμενή, η οποία ωθείται μέσω του κυλίνδρου σε μια πλατφόρμα κατασκευής. Το ύψος της πλατφόρμας εξαρτάται από το ύψος της στρώσης που επιθυμούμε. Το υλικό που απομένει πάνω στην πλατφόρμα αφού περάσει ο κύλινδρος αποτελεί την πρώτη στρώση του υπό κατασκευή αντικειμένου.
Έπειτα, παράγεται μία δέσμη φωτός lazer, η οποία θερμαίνει τα σημεία του υλικού που θέλουμε να σταθεροποιήσουμε μέσω ενός καθρέφτη. Αφού ολοκληρωθεί η μία στρώση, η δεξαμενή με την σκόνη ανεβαίνει προς τα πάνω για να πάρει επιπλέον σκόνη ο κύλινδρος, ενώ η πλατφόρμα κατασκευής κατεβαίνει προς τα κάτω για να εναποτεθεί επάνω της το υλικό για την επόμενη στρώση. Η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ολοκληρωθεί η κατασκευή.
Η διαφορά των δύο μεθόδων έγκειται στο γεγονός ότι στην LS η σκόνη θερμαίνεται σε τέτοιο βαθμό, ώστε να ενωθούν τα μόρια των κόκκων σκόνης, ενώ στην LM το υλικό λιώνει πλήρως, ώστε να δημιουργηθεί ένα ομογενές κομμάτι. Όσον αφορά στο είδος του υλικού, με την LS είναι δυνατό να ελεγχθεί η πυκνότητα του τελικού αντικειμένου, γι’ αυτό και ενδείκνυται για μείγματα μετάλλων, ενώ η LM επιλέγεται όταν χρησιμοποιούνται καθαρά μέταλλα (π.χ. καθαρό τιτάνιο).
Inkjet
Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές inkjet χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: στους εκτυπωτές τεχνολογίας Binder Jetting και στους Material Jetting. Στην πρώτη, το δομικό υλικό έχει τη μορφή σκόνης και το υλικό που ψεκάζεται κάνει τη σκόνη συμπαγή, μία στρώση τη φορά. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει ιδιαίτερο πρόβλημα με τη στήριξη του μοντέλου και μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα υλικά, όπως μέταλλα, πλαστικά, κερί, άμμος, κεραμικά, ακόμα και φαγητό. Πρόκειται για μία αρκετά γρήγορη μέθοδο που υποστηρίζει και την προσθήκη διαφόρων χρωμάτων κόλλας. Ωστόσο, το αποτέλεσμα δεν είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό, κάτι που μπορεί να διορθωθεί με τοποθέτηση του τελικού αντικειμένου σε φούρνο για αύξηση της αντοχής του.
Σε ό,τι αφορά στους Material Jetting, μπορούν να ψεκάζονται πολλαπλά υλικά παράλληλα, είτε λιωμένα είτε απλά σε υγρή μορφή, και μάλιστα σε διαφόρους συνδυασμούς. Γύρω από τις κεφαλές εκπέμπεται υπεριώδης ακτινοβολία σε κάθε στρώση, η οποία στερεοποιεί το αντικείμενο. Μόλις ολοκληρωθεί η κατασκευή, το υποστηρικτικό υλικό μπορεί να αφαιρεθεί με το χέρι.
Το τελικό αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα ακριβές, ενώ ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι υπάρχει η δυνατότητα χρήσης πολλών υλικών ταυτόχρονα αξιοποιώντας περισσότερες από μία κεφαλές με πολλά ακροφύσια. Επιπλέον, εφαρμόζεται και η χρήση διαφόρων χρωμάτων για τα μοντέλα.
Η τρισδιάστατη εκτύπωση σε απλές καθημερινές ανάγκες
Τα εμπόδια για να γίνουν οι εκτυπωτές 3D διαθέσιμοι προς όλους σε λογική τιμή έχουν ήδη αρχίσει να εξαλείφονται. Στο εγγύς μέλλον, ο καθένας από εμάς θα διαθέτει έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή στο σπίτι του και θα τον χρησιμοποιεί σε καθημερινή βάση, για να δημιουργήσουμε αντικείμενα απόλυτα προσαρμοσμένα στις δικές μας ανάγκες.