Τι είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing)


Γράφει ο Κώστας Δημητριάδης:
Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D εκτύπωση) είναι η διαδικασία που μετατρέπει τρισδιάστατα μοντέλα σε πραγματικά, απτά αντικείμενα .

 Ένα αντικείμενο χτίζεται στην κυριολεξία από το μηδέν, σε μικροσκοπικά επάλληλα στρώματα ακολουθώντας μια διαδικασία που θυμίζει τους εκτυπωτές γραφείου, γι' αυτό και έχει γίνει γνωστή ως τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing).

Η τεχνολογία των εκτυπώσεων 3D βρίσκει εφαρμογή σε πολλούς τομείς όπως στην παραγωγή κοσμημάτων, αρχιτεκτονικών μακετών, αγαλμάτων , χαρτών, και καθώς και στους κλάδους της ιατρικής, της μηχανολογίας του βιομηχανικού σχεδιασμού κ.α

Τα πλεονεκτήματα της 3D εκτύπωσης είναι πολλά, ενδεικτικά θα αναφέρουμε την ταχύτητα, την ευελιξία, το χαμηλό κόστος και την μεγάλη γκάμα υλικών.

Η τρισδιάστατη εκτύπωση ή 3D printing στα αγγλικά (συνήθως χρησιμοποιώ τον αγγλικό όρο μιας και μου ακούγεται πιο οικεία στο συγκεκριμένο θέμα) είναι η διαδικασία με την οποία το μηχάνημα -3D printer- "διαβάζει" το σχέδιο που έχουν σχεδιάσει ψηφιακά στον υπολογιστή μας και το εκτυπώνει σε τρεις διαστάσεις κατά X, Y και Ζ.
Υπάρχουν πολλά σχεδιαστικά προγράμματα τύπου CAD όπως είναι το Autocad, το Rhinoceros το 3D studio Max, το Maya, το Google sketch-up και άλλα πολλά, που μπορούν να σχεδιάσουν τρισδιάστατα φωτορεαλιστικά ή και μηχανικά σχέδια στον υπολογιστή. Τα σχέδια τελικά μπορούν να αποθηκευτούν και να επεξεργάζονται ψηφιακά περαιτέρω επ' άπειρον. Υπάρχει και η δυνατότητα όμως εξαγωγής (export) του σχεδίου σε μορφή STL. Το STL έρχεται από το Stereolithography και είναι το φορμάτ που χρειάζεται το μηχάνημα για να μπορέσει να το εκτυπώσει.
Στην ουσία το πρόγραμμα με μια διαδικασία που λέγεται meshing καταλαβαίνει κάθε μορφή τριγωνοποιώντας την. Από εκεί και πέρα εξάγει τα μικρά αυτά πολύγωνα (καμιά φορά είναι μεγαλύτερα από τρίγωνα) στο πρόγραμμα που ελέγχει το μηχάνημά μας.


Τώρα το κάθε μηχάνημα έχει διαφορετική διαδικασία επεξεργασίας, αλλά η βάση είναι ίδια. Έρχεται ένα πρόγραμμα που λειτουργεί ως plug-in (πχ το slicer) και κάνει μικρές τομές ανά ένα χιλιοστό στο σχέδιό μας. Κάνοντας τις τομές του πολυγωνικού σχήματος μένει με σημεία, σημεία που αν ενωθούν φτιάχνουν το περίγραμμα του σχήματος στο εκάστοτε επίπεδο της τομής. Έτσι αν υποθέσουμε πως προσπαθούμε να εκτυπώσουμε ένα ποτήρι νερού με ύψος δεκαεφτά εκατοστών το πρόγραμμα θα ετοιμάσει χίλιες εφτακόσιες κατακόρυφες τομές του ποτηριού. Σε κάθε από αυτές τις τομές θα διαβάσει την κάτοψη του για να δει που έχει υλικό και που όχι.


Περνώντας τώρα στην διαδικασία παρασκευής το πρόγραμμα πλέον εξάγει αυτό που ονομάζεται Gcode. Αυτό στην ουσία είναι ένα σύνολο διαδοχικών σημείων τα οποία αν τα ενώσεις όλα θα έχεις το τελικό σου σχήμα. Στην ουσία το Gcode είναι το μονοπάτι πάνω στο οποίο πατάει το μηχάνημα για να χαράξει την πορεία του.

Τώρα από δω και πέρα η διαδικασία παρασκευής διαφέρει από μηχάνημα σε μηχάνημα. Υπάρχουν εκτυπωτές που λειτουργούν με σκόνη. Αυτοί αφήνουν ένα λεπτό στρώμα σκόνης ενός χιλιοστού και εκεί που στην πρώτη τομή διαβάζουν υλικό, περνάνε οι κεφαλές και αφήνουν κάποια κολλητική ουσία. Τώρα υπάρχουν άλλοι εκτυπωτές πχ μετάλλου που αντί για σκόνη αφήνουν ρινίσματα πχ ατσαλιού. Υπάρχουν άλλοι εκτυπωτές -όπως είναι και ο δικός μου- οι οποίοι έχουν μια κεφαλή που ανεβάζει θερμοκρασία στους 260 βαθμούς Κελσίου και τροφοδοτείται με το υλικό -συνήθως πλαστικό- το οποίο λιώνει και βγαίνει σαν από σωληνάριο στα σημεία της τομής που πρέπει να τοποθετηθεί υλικό. Άσχετα με τον τρόπο ανά μηχάνημα, μόλις ολοκληρωθεί η πρώτη από τις χίλιες εφτακόσιες τομές για το ποτήρι παραδείγματος χάριν που μιλάγαμε πριν, το μηχάνημα κατεβαίνει κατά ύψος ένα χιλιοστό και κάνει το ίδιο στην δεύτερη τομή. Βάζει δηλαδή υλικό εκεί που διαβάζει απ' την τομή ότι είναι γεμάτο.

Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται έως ότου ολοκληρωθούν όλες οι τομές του αντικειμένου και πλέον το σχήμα έχει σχηματιστεί. Τώρα αναλόγως το μηχάνημα μπορεί να χρειάζεται κάποια περαιτέρω διαδικασία. Αν είναι 3D printer σκόνης όπως αυτοί της Z-corp τότε θα χρειάζεται να απομακρυνθεί η σκόνη με πινελάκι προσεκτικά -σαν αρχαιολογική ανασκαφή- έως ότου αποκαλυφθεί πλήρως το αντικείμενο. Μετά θα τοποθετηθεί μια ουσία αντίδρασης για να σκληρύνει το εξωτερικό και να κάνει το αντικείμενο ανθεκτικό. Στο παράδειγμα του μετάλλου που είπαμε πριν, το ατσάλι εμποτίζεται σε αυτό το σημείο με ρινίσματα χαλκού και θερμαίνεται στους 2800 βαθμούς Κελσίου. Στο παράδειγμα της σκόνης του Z-corp το υλικό απλώς ψεκάζεται με ένα μείγμα νερού και κόλλας.