Bahkan Printer 3D Model Injek dan Generasi Pertama
Terbaik pun berjuang untuk menunjukkan kepada kita seperti apa objek dunia nyata dalam semua kemuliaan tiga dimensi (3D). Sebagian besar waktu itu tidak masalah—melihat foto atau sketsa memberi kita ide yang cukup bagus. Tetapi jika Anda berkecimpung dalam bisnis pengembangan produk baru dan Anda perlu memamerkannya kepada klien atau pelanggan, tidak ada yang Lebih baik daripada memiliki prototipe: model yang dapat Anda sentuh, pegang, dan rasakan. Satu-satunya masalah adalah, model membutuhkan waktu lama untuk dibuat dengan tangan dan mesin yang dapat membuat "prototipe cepat" menghabiskan banyak uang (hingga setengah juta dolar). Hore, kemudian untuk Printer 3D, yang bekerja sedikit seperti inkjet dan membangun model 3D lapis demi lapis dengan kecepatan hingga 10 kali lipat dan biaya seperlima. Bagaimana tepatnya mereka bekerja? Mari kita lihat lebih dekat!
Dari prototipe buatan tangan hingga prototipe cepat
Sebuah prototipe lilin dari pesawat model NASA.
Sebelum ada hal-hal seperti desain berbantuan komputer (CAD) dan laser, model dan prototipe diukir dengan susah payah dari kayu atau disatukan dari potongan-potongan kecil kartu atau plastik. Mereka bisa memakan waktu berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu untuk membuatnya dan biasanya menghabiskan banyak uang. Mendapatkan perubahan atau perubahan yang dibuat sulit dan memakan waktu, terutama jika perusahaan pembuat model luar digunakan, dan itu dapat mencegah desainer melakukan perbaikan atau mengambil komentar di menit-menit terakhir: "Sudah terlambat!"
Dengan kedatangan teknologi yang lebih baik, sebuah ide yang disebut rapid prototyping (RP) tumbuh selama tahun 1980-an sebagai solusi untuk masalah ini: itu berarti mengembangkan model dan prototipe dengan metode yang lebih otomatis, biasanya dalam hitungan jam atau hari daripada berminggu-minggu seperti pembuatan prototipe tradisional. dulu mengambil. Pencetakan 3D adalah perpanjangan logis dari ide ini di mana desainer produk membuat prototipe cepat mereka sendiri, dalam hitungan jam, menggunakan mesin canggih yang mirip dengan printer inkjet.
Bagaimana cara kerja printer 3D?
Desain printer FDM 1980-an asli Scott Crump dari US Patent 5.121.329.
Artwork: Salah satu printer FDM tiga dimensi pertama di dunia, yang dikembangkan oleh S. Scott Crump pada 1980-an. Dalam desain ini, model (merah muda, 40) dicetak pada pelat dasar (biru tua, 10) yang bergerak dalam arah horizontal (X–Y), sedangkan kepala cetak dan nozzle (2 dan 4, oranye) bergerak dalam arah arah vertikal (Z). Bahan baku untuk pencetakan berasal dari batang plastik (kuning, 46), yang dilebur oleh kepala cetak. Proses pemanasan diatur dengan hati-hati oleh termokopel (sensor panas listrik) yang terhubung ke pengontrol suhu (ungu, 86). Batang diekstrusi menggunakan udara terkompresi dari tangki besar dan kompresor di sebelah kanan (hijau, 60/62). Hal-hal telah berubah sedikit sejak saat itu, tetapi prinsip dasar (membangun suatu objek dengan melelehkan dan menyimpan plastik di bawah kendali tiga dimensi) tetap menjadi prinsip.
sama. Karya seni dari US Patent 5.121.329: Aparatus dan metode untuk membuat objek tiga dimensi oleh S. Scott Crump, Stratasys Ltd, 9 Juni 1992, atas izin US Patent and Trademark Office.
Bayangkan membangun prototipe mobil kayu konvensional. Anda akan memulai dengan balok kayu solid dan mengukir ke dalam, seperti pematung, secara bertahap mengungkapkan objek "tersembunyi" di dalamnya. Atau jika Anda ingin membuat model rumah seorang arsitek, Anda akan membangunnya seperti rumah prefabrikasi yang nyata, mungkin dengan memotong replika miniatur dinding dari kartu dan merekatkannya bersama-sama. Sekarang laser dapat dengan mudah mengukir kayu menjadi bentuk dan tidak menutup kemungkinan untuk melatih robot untuk merekatkan karton—tetapi printer 3D tidak bekerja dengan salah satu cara ini!
Printer 3D tipikal sangat mirip dengan printer inkjet yang dioperasikan dari komputer. Ini membangun model 3D satu lapis pada satu waktu, dari bawah ke atas, dengan berulang kali mencetak di area yang sama dalam metode yang dikenal sebagai fused depositional modeling (FDM). Bekerja sepenuhnya secara otomatis, printer membuat model selama beberapa jam dengan mengubah gambar CAD 3D menjadi banyak lapisan penampang dua dimensi—secara efektif memisahkan cetakan 2D yang berada satu di atas yang lain, tetapi tanpa kertas di antaranya . Alih-alih menggunakan tinta, yang tidak akan pernah mencapai volume banyak, printer menyimpan lapisan plastik atau bubuk cair dan menggabungkannya (dan ke struktur yang ada) dengan perekat atau sinar ultraviolet.
Di mana printer inkjet menyemprotkan tinta cair dan printer laser menggunakan bubuk padat, printer 3D tidak menggunakan keduanya: Anda tidak dapat membuat model 3D dengan menumpuk air berwarna atau debu hitam! Yang bisa Anda modelkan adalah plastik. Printer 3D pada dasarnya bekerja dengan mengekstrusi plastik cair melalui nosel kecil yang bergerak tepat di bawah kendali komputer. Ini mencetak satu lapisan, menunggu sampai kering, dan kemudian mencetak lapisan berikutnya di atas. Bergantung pada kualitas printernya, yang Anda dapatkan adalah model 3D yang tampak memukau atau banyak garis plastik 2D yang saling bertumpukan—seperti lapisan icing kue yang buruk! Plastik dari mana model dicetak jelas sangat penting.
Printer 3D Lulzbot dengan gulungan plastik merah masuk dari atas.
Ketika kita berbicara tentang plastik, kita biasanya berarti "plastik": jika Anda seorang pendaur ulang yang rajin, Anda akan tahu ada banyak jenis plastik, yang semuanya berbeda, baik secara kimiawi (dalam susunan molekulnya) maupun secara fisik (dalam cara mereka berperilaku terhadap panas, cahaya, dan sebagainya). Tidak mengherankan bahwa printer 3D menggunakan termoplastik (plastik yang meleleh saat Anda memanaskannya dan menjadi padat saat Anda mendinginkannya kembali), dan biasanya ABS (akrilonitril butadiena stirena), PLA (asam polilaktat), atau PETG (polietilen gereftalat glikol) .
Mungkin yang paling familiar sebagai bahan pembuatan batu bata LEGO®, ABS juga banyak digunakan di interior mobil (terkadang di bagian luar seperti dop juga), untuk membuat bagian dalam lemari es, dan di bagian plastik komputer (kemungkinan besar mouse dan keyboard yang Anda gunakan saat ini terbuat dari plastik ABS). Jadi mengapa bahan ini digunakan untuk pencetakan 3D? Ini benar-benar komposit dari plastik keras dan keras (akrilonitril) dengan karet sintetis (butadiena stirena). Ini sempurna untuk pencetakan 3D karena padat pada suhu kamar dan meleleh pada suhu sedikit di atas 100 ° C (220 ° F), yang cukup dingin untuk meleleh di dalam printer tanpa terlalu banyak panas dan cukup panas sehingga model yang dicetak darinya akan ' tidak meleleh jika dibiarkan di bawah sinar matahari. Setelah diatur, dapat diampelas halus atau dicat; sifat lain yang berguna dari ABS adalah bahwa itu adalah warna kuning keputihan dalam bentuk mentahnya, tetapi pigmen (bahan kimia warna dalam cat) dapat ditambahkan untuk membuatnya hampir semua warna sama sekali. Sesuai dengan jenis printer yang Anda gunakan, Anda memberi makan plastik baik dalam bentuk pelet kecil atau filamen (seperti tali plastik).
PLA lebih mudah digunakan daripada ABS dan sedikit lebih ramah lingkungan, meskipun lebih lembut dan kurang tahan lama. PETG adalah rumah singgah, lebih dekat dengan kekuatan ABS, mudah dibentuk, dan relatif mudah didaur ulang.
Anda tidak perlu mencetak dalam 3D dengan plastik: secara teori, Anda dapat mencetak objek menggunakan bahan cair apa pun yang mengeras dan mengeras dengan cukup cepat. Pada Juli 2011, para peneliti di Universitas Exeter Inggris meluncurkan prototipe printer makanan yang dapat mencetak objek 3D menggunakan cokelat cair!
Keuntungan dan kerugian
Printer 3D tipikal: B9Creator.
Pembuat printer 3D mengklaim mereka hingga 10 kali lebih cepat daripada metode lain dan 5 kali lebih murah, sehingga mereka menawarkan keuntungan besar bagi orang yang membutuhkan prototipe cepat dalam hitungan jam daripada hari. Meskipun printer 3D kelas atas harganya masih mahal (biasanya sekitar $25.000–$50.000), harganya hanya sebagian kecil dari biaya mesin RP yang lebih canggih (yang harganya $100.000–$500.000), dan mesin yang jauh lebih murah juga tersedia (Anda dapat beli kit printer 3D Tronxy seharga sekitar $100–200). Mereka juga cukup kecil, aman, mudah digunakan, dan dapat diandalkan (fitur yang membuatnya semakin populer di tempat-tempat seperti sekolah desain/teknik).
Pada sisi negatifnya, hasil akhir model yang mereka hasilkan biasanya lebih rendah daripada yang diproduksi dengan mesin RP kelas atas. Pilihan bahan seringkali terbatas hanya pada satu atau dua, warnanya mungkin kasar, dan teksturnya mungkin tidak mencerminkan hasil akhir produk dengan baik. Secara umum, model cetak 3D mungkin lebih baik untuk visualisasi awal produk baru yang kasar; mesin RP yang lebih canggih dapat digunakan nanti dalam proses ketika desain mendekati finalisasi dan hal-hal seperti tekstur permukaan yang akurat lebih penting.
Aplikasi
Untuk apa Anda dapat menggunakan printer 3D? Ini seperti bertanya, "Berapa banyak cara Anda bisa menggunakan mesin fotokopi?" Secara teori, satu-satunya batasan adalah imajinasi Anda. Dalam praktiknya, batasannya adalah keakuratan model dari mana Anda mencetak, ketepatan printer Anda, dand bahan yang Anda gunakan untuk mencetak. Pencetakan 3D modern ditemukan sekitar 25 tahun yang lalu, tetapi baru benar-benar mulai lepas landas dalam dekade terakhir. Sebagian besar teknologinya masih relatif baru; meskipun demikian, jangkauan penggunaan untuk pencetakan 3D cukup mencengangkan.
Obat-obatan
Hati manusia yang dicetak 3D dipegang di tangan dokter
Hidup adalah perjalanan satu arah; manusia yang salah, menua dengan tubuh yang kusut dan hancur secara alami melihat harapan besar dalam teknologi yang berpotensi menciptakan bagian dan jaringan tubuh pengganti. Itu sebabnya dokter termasuk orang yang paling awal mengeksplorasi pencetakan 3D. Sudah, kami telah melihat telinga yang dicetak 3D (dari perusahaan India Novabeans), lengan dan kaki (dari Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group, dan Bespoke), dan otot (dari Cornell University). Printer 3D juga telah digunakan untuk memproduksi jaringan buatan (Organovo), sel (Samsara Sciences), dan kulit (dalam kemitraan antara raksasa kosmetik L'Oreal dan Organovo). Meskipun kita masih jauh dari memiliki organ pengganti cetak 3D yang lengkap (seperti jantung dan hati), banyak hal bergerak cepat ke arah itu. Salah satu proyek, yang dikenal sebagai Body on a Chip, dijalankan oleh Wake Forest Institute for Regenerative Medicine di North Carolina, mencetak miniatur jantung, paru-paru, dan pembuluh darah manusia, menempatkannya pada microchip, dan mengujinya dengan semacam alat buatan. darah.
Selain bagian tubuh pengganti, pencetakan 3D semakin banyak digunakan untuk pendidikan dan pelatihan kedokteran. Di Rumah Sakit Anak Nicklaus di Miami, Florida, ahli bedah melakukan operasi pada replika cetak 3D dari jantung anak-anak. Di tempat lain, teknik yang sama digunakan untuk melatih operasi otak.
Kedirgantaraan dan pertahanan
Merancang dan menguji pesawat adalah bisnis yang kompleks dan mahal: Boeing Dreamliner memiliki sekitar 2,3 juta komponen di dalamnya! Meskipun model komputer dapat digunakan untuk menguji beberapa aspek tentang perilaku pesawat, prototipe yang akurat masih perlu dibuat untuk hal-hal seperti pengujian terowongan angin. Dan pencetakan 3D adalah cara sederhana dan efektif untuk melakukannya. Sementara pesawat komersial dibuat dalam jumlah besar, pesawat militer kemungkinan besar akan sangat disesuaikan—dan pencetakan 3D memungkinkan untuk merancang, menguji, dan memproduksi suku cadang bervolume rendah atau sekali pakai dengan cepat dan hemat biaya.
Pengisi daya nirkabel cetak 3D yang diproduksi oleh Angkatan Laut AS
Pesawat ruang angkasa bahkan lebih kompleks daripada pesawat terbang dan memiliki kelemahan tambahan bahwa mereka "diproduksi" dalam jumlah kecil—terkadang hanya satu yang pernah dibuat. Alih-alih menghabiskan semua biaya untuk membuat alat dan peralatan manufaktur yang unik, lebih masuk akal untuk mencetak komponen satu kali cetak 3D. Tetapi mengapa bahkan membuat bagian luar angkasa di Bumi? Mengirimkan struktur yang kompleks dan berat ke luar angkasa adalah hal yang sulit, mahal, dan memakan waktu; kemampuan untuk memproduksi sesuatu di Bulan, atau di planet lain, terbukti sangat berharga. Sangat mudah untuk membayangkan astronot (atau bahkan robot) menggunakan printer 3D untuk menghasilkan objek apa pun yang mereka butuhkan (termasuk suku cadang), jauh dari Bumi, kapan pun mereka membutuhkannya. Tetapi bahkan proyek luar angkasa konvensional yang lahir dari Bumi dapat memperoleh manfaat dari kecepatan, kesederhanaan, dan pencetakan 3D yang murah. NASA Rover terbaru yang didukung manusia menggunakan komponen cetak 3D yang diproduksi dengan bantuan Stratasys.
visualisasi
Membuat prototipe pesawat terbang atau roket luar angkasa adalah contoh penggunaan yang lebih luas untuk pencetakan 3D: memvisualisasikan bagaimana desain baru akan terlihat dalam tiga dimensi. Kita dapat menggunakan hal-hal seperti realitas virtual untuk itu, tentu saja, tetapi orang sering kali lebih menyukai hal-hal yang dapat mereka lihat dan sentuh. Semakin banyak, printer 3D digunakan untuk pemodelan arsitektur yang cepat dan akurat. Meskipun kami tidak dapat (belum) mencetak 3D pada bahan seperti batu bata dan beton, ada berbagai macam plastik yang tersedia dan mereka dapat dicat agar terlihat seperti penyelesaian bangunan yang realistis. Dengan cara yang sama, pencetakan 3D juga sekarang banyak digunakan untuk membuat prototipe dan menguji produk industri dan konsumen. Karena banyak barang sehari-hari dicetak dari plastik, model cetakan 3D dapat terlihat sangat mirip dengan produk jadi—sempurna untuk pengujian kelompok fokus atau riset pasar.
Produk yang dipersonalisasi
Dari sikat gigi plastik hingga bungkus permen, kehidupan modern ada di sini-hari ini, pergi-besok—nyaman, murah, dan sekali pakai. Namun, tidak semua orang menghargai produksi massal yang siap pakai, itulah sebabnya "label desainer" yang mahal sangat populer. Di masa depan, lebih banyak dari kita akan dapat menikmati manfaat dari produk yang terjangkau dan sangat personal yang dibuat khusus untuk spesifikasi yang tepat. Perhiasan dan aksesoris fashion sudah dicetak 3D. Sama seperti situs web Etsy yang menciptakan komunitas perajin pengrajin di seluruh dunia , Zazzy kini telah mereplikasinya menggunakan teknologi pencetakan 3D. Berkat layanan online sederhana seperti Shapeways, siapa pun dapat membuat nick-nacks cetak 3D mereka sendiri, baik untuk diri mereka sendiri atau untuk dijual kepada orang lain tanpa biaya dan kerumitan menggunakan printer 3D mereka sendiri (bahkan Staples sekarang menawarkan layanan pencetakan 3D di beberapa dari toko-tokonya).
"Produk yang disesuaikan" bukan hanya barang yang kita beli dan gunakan: makanan yang kita makan juga bisa termasuk dalam kategori itu. Memasak membutuhkan waktu, keterampilan, dan kesabaran, karena menyiapkan makanan yang menggugah selera lebih dari sekadar mencampur bahan dan memanaskannya di atas kompor. Karena sebagian besar makanan dapat diekstrusi (diperas melalui nozel), makanan tersebut (secara teoritis) juga dapat dicetak 3D. Beberapa tahun yang lalu, Evil Mad Scientist Laboratories dengan main-main mencetak beberapa benda aneh dari gula. Pada 2013, kolumnis New York Times A.J. Jacobs menantang dirinya sendiri untuk mencetak seluruh makanan—termasuk piring dan peralatan makan. Dalam prosesnya, ia menemukan karya Hod Lipson dari Cornell University, yang percaya bahwa makanan suatu hari nanti dapat dicetak secara pribadi, dicetak 3D agar sesuai dengan kebutuhan nutrisi tubuh Anda. Yang membawa kita rapi ke masa depan...
Dua objek cetakan 3D yang dibuat dari gula pasir oleh Evil Mad Scientist Laboratories.
Masa depan pencetakan 3D
Banyak orang percaya bahwa pencetakan 3D tidak hanya akan menjadi gelombang pasang surut, tipuan plastik, tetapi juga sebuah revolusi dalam industri manufaktur dan ekonomi dunia yang didorongnya. Meskipun pencetakan 3D pasti akan memungkinkan kita untuk membuat barang-barang kita sendiri, ada batasan untuk apa yang dapat Anda capai sendiri dengan printer murah dan tabung plastik. Manfaat ekonomi yang nyata kemungkinan akan datang ketika pencetakan 3D diadopsi secara universal oleh perusahaan besar sebagai pilar utama industri manufaktur. Pertama, itu akan memungkinkan produsen untuk menawarkan lebih banyak penyesuaian produk yang ada, sehingga keterjangkauan produksi massal yang tersedia akan dikombinasikan dengan daya tarik kerajinan pengrajin yang dipesan lebih dahulu. Kedua, pencetakan 3D pada dasarnya adalah teknologi robot, sehingga akan menurunkan biaya produksi ke titik di mana, sekali lagi, akan hemat biaya untuk memproduksi barang-barang di Amerika Utara dan Eropa yang saat ini sedang dirakit dengan harga murah (dengan bayaran rendah manusia) di tempat-tempat seperti Cina dan India. Terakhir, pencetakan 3D akan meningkatkan produktivitas (karena lebih sedikit orang yang dibutuhkan untuk membuat hal yang sama), menurunkan biaya produksi secara keseluruhan, yang seharusnya mengarah pada harga yang lebih rendah dan permintaan yang lebih besar—dan itu selalu merupakan hal yang baik, bagi konsumen, bagi produsen, dan ekonomi.
Baca Juga :
