Mindent a 3d nyomtatásról

Addict3d

Átköltöztem az addict3d.hu-ra

2022. augusztus 11. - KreaLab

www.addict3d.hu

3D nyomtatás története 1. rész

A 3d nyomtatás atyjának a korábbi előzmények ellenére, amit korábbi bejegyzésemben írtam le részletesen, mégis Charles Hull-t tartják, nem méltánytalanul. Hiszen ő tudott először egy működő gépet is lerakni az asztalra. Konkrétan ezt:
sla1g.jpg

és ez lett belőle 1987-re amire elkészült a 3D Systems (azóta is működő és piacvezető cég) első termékeként az SLA-1first3d_sla_1.png

Szabadalmát 1984. augusztus 8.-án adta le a sztereólitográfiára. A gép működésének leírásán kívül a szabadalom tartalmazott olyan ismerős dolgot is, mint az stl fájl formátum és a digitális szeletelés. Ezekért méltán nevezhetjük őt a 3d nyomtatás feltalálójának, hiszen ő megvalósította azt, amit ma 3d nyomtatás alatt értünk.  A lenti videón Hull-t látjuk első komplexebb nyomatával, amit 1986. március 9.-én sikerült létrehoznia és ezek után a 3D Systems céget még ebben az évben megalapítja társaival.

Ebben az időben több ígéretes technika is elindul egymástól függetlenül. Az egyik ilyen volt az izraeli Solid Ground Curing (SGC), amit 1985-ben védetett le Itzchak Pomerantz, Haim Levi és társaik.1989-ben álltak a nyilvánosság elé a Solidar géppel és a Cubital céggel. SCG-nél, nem volt szükség alátámasztásra, hiszen a technika ezt magában foglalta. A folyamat a következő volt: A számítógépen készült modellt, digitálisan szeletelték, egy üveglapra, lézer nyomtatókból ismert módszerrel készült a maszk, (ami levilágítás után törölhető és újra nyomható volt). A maszk a resin fölé került és azt egyenletesen uv fénnyel világították meg, ami kirajzolta a réteget. Ez után a folyadékot egy elszívó rendszer gyűjtötte össze, majd olvadt viasszal öntötték fel a nyomatot, amit visszacsiszoltak az előző rétegig. A csiszolt rétegre kezdődött újra a folyamat. Ez a videó szemlélteti a folyamatot:

A Cubital, bár rendkívül innovatív technikával ált elő, ehhez mérten ára is elszállt. A folyamat bonyolultsága, az izraeli akcentus és a magas üzemeltetési költség lett ennek a technologiának a veszte.

Ezek után jelent meg az SLS (Selective Laser Sintering) technológia, amit 1986. november 10-én Carl R. Deckard az Austin-i Egyetemen munkatársa adott be szabadalomra. Ez nem UV fényt, hanem lézert, és folyékony resin helyett, a por bázis anyagot olvasztotta meg. Deckard kollégájával Dr. Joe Beaman-nal részesei voltak a DTM cég alapításának, ami 1992-ben jelent meg a piacon az első SLS nyomtatóval.
3d-printing-1980s.png

Az FDM (fused deposition modeling) ötlete 1988-ban jelent meg a színen, amit Scott Crump-nak és egy a ragasztó pisztolynak köszönhettünk, no meg annak, hogy egy játék békát készített azzal lányának. 1989-ben megalapította a Stratasys-t és 1991-ben már a piacon voltak a 3d Modeler géppel:

A kisebb gép az első működő FDM gép a nagyobb az utolsó képen 3D modeler és a legelső nyomat ez a propeller volt:

1988-ban Michael Feygin szabadalmazta Laminated Object Manufacturing (LOM) technologiát és 1990-ben létrehozta Helisys céget. Ennél a technologiánál tekercses alapanyag volt a bázis, amit lézerrel vágtak formára és hővel laminálták egymáshoz a rétegeket.

1993-ban Emanuel "Ely" Sachs jegyezte be Three-dimensional printing (3DP) technikát, a tintasugaras technológia 3d-re adaptálásával, és 1994-ben már a ZCorporation meg is jelentette a Z Corp Z402-es Binder Jetting nyomtatót.  Az első ilyen nyomtató keményitő és gipszalapú bázisanyagokat, valamint vízbázisú kötőanyagokat használt a tárgy nyomtatására. Ma a por bázisanyag lehet már fém, kerámia vagy más kompozit anyag is, amit fúvókákból áramló polimer kötőanyaggal kötnek meg úgy, mint más additív eljárás esetében, itt is rétegről-rétegre. Itt egy videó a feltalálóról:

Egy másik a technikáról a korai időkből:

1993-as évben még Royden Sanders is létrehozta Solidscape céget, ami a kiadta a viasz 3d nyomtatásra épülő Model Maker-t 1994-be és ez az ékszerészek kedvencévé vált hamarosan. Ezt a gépet tekinthetjük az első material jetting (MJ) nyomtatónak. A digitális viaszveszejtéses technológia úttörője lett a Solidscape.
6061730_orig.png

Európai úttörőnek az 1989-ben alapított EOS számít, ami 1991-ben piacra dobta STEREOS 400-as sztereólitógráfiás gépet, 1994-re már saját SLS nyomtatójával EOSINT P 350-nel is előálltak, de még ebben az évben elsők voltak DMLS (Direct Metal Laser Sintering) technologiában (más néven:  Selective laser melting (SLM) vagy powder bed fusion (PBF) vagy Laser Powder Bed Fusion (LPBF) vagy Direct Metal Printing (DMP)) az EOSINT M 160 géppel.

1994-ben a Dr Behrokh Khoshnevis-ban megfogalmazódott a Contour Crafting ötlete, amit 96-ban szabadalmazott. Számítógép vezérelt teherdarut és betonszerű gyorsan kötő anyagot használt eljárásában, ami rétegenként, konturvonal szerűen rajzolta ki az építmény falazatát. Elsőre ipari öntőformák gyors gyártására akarta alkalmazni, de szülőhazáját Iránt ért földrengés és katasztrófa után átértelmezte technikáját és így ez az innováció már az építőiparban is elindította 3d nyomtatás forradalmát.

Ha mélyebben érdekel a téma ajánlom ezt a TED előadást magától a feltalálótól:

Források: 

History of 3D Printing Timeline: Who Invented 3D Printing - 3D Insider

The Complete History of 3D Printing: From 1980 to 2022 - 3DSourced

The Story of EOS GmbH and Industrial 3D Printing

Laminated Object Manufacturing (LOM) | 3D Print Expo (3d-expo.ru)

The Evolution of 3D Printing (nano-di.com)

Our Story | 3D Systems

Exclusive interview: Retiring Stratasys founder Scott Crump on his 3D printing legacy - TCT Magazine

US4863538A - Method and apparatus for producing parts by selective sintering - Google Patents

A binder jetting lehet a legnépszerűbb nyomtatási technológia a jövő gyáraiban (newtechnology.hu)

Impressora 3D: confira a evolução do dispositivo desde a sua concepção | Notícias | TechTudo

(83) Itzhak Pomerantz talk about Haim Levi - YouTube

(83) Cubital Solider Rapid Prototyping part1 - YouTube

Contour Crafting Corporation | Construction 3D Printing | California

História das Impressoras 3D | dOne 3D |

3d nyomtatás előtörténete

Bár a technológia a 20. század végére érte el azt a fejlettségi szintet, hogy komolyabb eredményeket tudjon felmutatni ipar és kereskedelem területén is, de gyökerei egészen a 19. századig vezetnek. Első, akit meg kell említsünk, egy francia festő, fotós és szobrász Francois Willéme, aki a fotó szobrászatot fejlesztette ki 1860-ban. Eljárása 24 szögből készült fotókra épült, és ezek segítségével hozta létre a modellek 3D vázlatát, amit manuálisan javított fel. Ez a technológia az alapja fotó és kontúr alapú szkennelés technikájának, amit a mai napig használnak, igaz már digitálisan.

Hogy hogyan is működhetett ez az analóg eljárás, itt egy kis film 1939-ből, ami már a tovább fejlesztett változatát mutatja a technikának:

A következő Joseph E. Blanther térképész volt 1892-es szabadalmával, melyben a domborzati térképek szintvonalait használta fel a rétegek elkülönítésére és azok egymásra rétegezésével hozta létre a táj térbeli leképezését viaszból amit szintén manuálisan finomított.

joseph_e_blanther_www_nexus3mfg_com.jpeg

Az ő szabadalmát 1951-ben Otto John Munz gondolta tovább, aki 2d fotók felhasználásával és azok fotópolimer emulzióra vetítésével hozta létre a domborzat térbeli képét. Az áttörés a Z tengely mozgása volt, ami minden réteg után lejjebb ereszkedett. Ezt az elvet ma is használják a modern 3d nyomtatók.

otto-j-munz-1951.png

Ehhez a DuPont cég kémiai úttörő munkája is kellett, hiszen ők fedezék fel többek között a fotópolimer resint, és a neoprént, nejlont, teflont, lycrát is nekik köszönhetjük sok egyéb műanyaggal egyetemben. Ha már itt tartunk a PLA-t 1932-ben fejlesztette ki Wallace Carothers, ezért őt is érdemes megelmlíteni. Főleg mert ő is DuPont alkalmazotja volt és nem utolsó sorban a nejlont is ő fedezte fel. Nézzük csak meg Dupont termék címkéit gyüjtő falat 1945-ből:

dupont.png

Az első két terület a szobrászat és térképészet sok innovációt alapozott meg de találmányaik mivel nagyon specializáltak voltak nehezen jutottak el más közegekbe.

Tárgyak létrehozására már az 1920 években találunk olyan fejlesztést ami már rétegekből építkezik, ilyen R. Baker szabadalma, ami ív hegesztés segítségével hoz létre dekoratív tárgyakat.

r-baker-1925.png

K. Swainson a 1960-as évek végén már lézerrel kísérletezett, aminek a célja az volt hogy egy tankban tárolt resint két eltérő hullámhosszú lézer találkozási pontjában keményítsen ki. Az 1971-es szabadalmában már a galvanométer-vezérelt tükör és lézer pásztázási stratégiák is meg vannak említve.

us4041476-drawings-page-2.png1971-ben a francia Pierre Ciraud beadott egy szabadalmat, ami egy gyártási technologiáról szólt, ami minden olvadni képes anyag megmunkálását mutatta be, a lézersugár energiájával. Ez az első por bázisú fejlesztés volt, amit tekinthetünk a DED 3d nyomtatás előfutárjaként is. Ciraud úgy definiálta a találmányát, mint ami lehetségesé teszi rendkívül bonyolult formák gyártását öntőformák nélkül.

 p-ciraud-1971.png

1979-ben R. Housholder szintén beadott egy szabadalmat, ami tartalmaz egy leírást, ami tekinthetünk SLS technológia előfutárúnak. A találmány célja az volt, hogy új és különleges mintázási technologiával rétegesen alkosson számítógép irányította lézer segítségével 3D tárgyakat. Por bázison a lézer x-y mozgása rajzolta ki a réteget.

r-housholder-1979.png

Akkoriban a lézerek rendkívül magas ára és a számítógépek fejletlensége miatt találmányának nem volt nagy visszhangja. Később a DTM cég újra felfedezte és licenszelte a szabadalmat és ezután született meg az első SLS gép.

Hiedeo Kodama Janpánban 1981-ben publikált egy cikket amiben fotópolimer resin megszilárdításával kísérletezett. Ez egy x-y plottert ír le irányított optikai szállal, ami UV fényt vezetett és azzal keményitette ki a fotópolimert. Ez után rövidesen még ebben az éveben a második publikációjában részletesebben ír a már három dimenziós technológia három különböző módszeréről. Az egyikben emelkedik, a másikban süllyedt a asztal amire maszkolással UV fény világítja át rétegeket és így alakítva ki a tárgyat a harmadikon a már említett xy plotter rajzolja ki a rétegeket a fotópolimerre.

h-kodama-1981.png

Olyan ismerős kifejezéseket is használ már mint a hullámhossz, a fókusz távolság, a réteg vastagság, az expozíciós idő és a resin viszkozitása. Az alsó kép mutatja az egyik kisérleti nyomtatát ami 20 x 20 x 12.5 mm méretű és 5 rétegből áll, amiknek a vastagsága 2.5mm. 96 perc volt a levilágítás rétegenként összesen 8 órát vett igénybe az elkészítése.

 h-kodama.png

Találmányát a komplex formák gyors prototípus gyártásra akarta használni. 1981 november 10-én szabadalmat nyújtott be az XYZ plotter-re. Sajnos a szabadalmat nem sikerült megszerezni mivel kifogyott a pénzből (mai árfolyamon kevesebb, mint 2.000$ kutatási keretet kapott csak egy évre) és kísérleteit nem tudta befejezni. A Szabadalmát így nem jegyezték be, mivel nem tudta leadni teljes dokumentációt határidőre.

William (Bill) Masters 1984. július 2.-án szabadalmat nyújtott be a számítógépes automatizált gyártás folyamatára és rendszerére. Ezt tartják nyilván az első 3d nyomtatási szabadalomként. Ezen kívül később még két szabadalmat adott be amivel megalapozta a ma használatos 3d nyomtatási rendszereket, többek között elsőként használta 3D CAD modelleket közvetlenül nyomtatásra.

us4665492-drawings-page-2_1.png

Technologiája a material jetting (MJ) eljárás alapját adta. Megalapította a Perception Systems céget, amibe később befektetői csoportok is beszálltak és átnevezet céget (Ballistic Particle Manufacturing) BPM Technology-ra. A cég szoftver fejlesztés túlbonyolításába és a termék megbízhatatlanságába és késői piacra bocsátásába bukott bele.

bpm-personal-modeler-2100.jpg

A gép 1996-ban jött csak ki Personal Modeler 2100 néven. Méretéből adódóan és olcsó üzemeltetési költsége miatt viszont az első asztali nyomtató is lehetet volna. 1997-ben a céget felszámolták és Bill Masters szabadalmai a céggel együtt elvesztek. Végül nézzük meg hogyan nézet ki Bill Masters első 3d nyomtatványa.

first-3d-printed-object.jpg

Illik még megemlíteni a franciákat Alain Le Méhauté‎‎, Olivier de Witte és Jean Claude André, akik három héttel korábban mint Chuck Hull, konkrétan 1984 július 16-án szabadalmat nyújtottak be a sztereó litográfiára (Compagnie Industrielle des Lasers nevében, a későbbi Alcatel), de szabadalmi jogok megszerzésére a cég vezetése nem tartott igényt "üzleti perspektíva hiányára" hivatkozva, és félbehagyták folyamatot.

A Franciák azóta is okkal keseregnek ezen a ballépésen. Mentségükre legyen mondva az első nyomtatok, amiket előállítottak számítógép nélkül, Phd hallgatók szíves együttműködésével készültek manuálisan. Konkrétan egy csigalépcsőt készítettek először lézerrel, fotópolimerre, kézzel kirajzolva a rétegeket.

Források:

https://tessellated.eu/en/blog/history-of-additive-manufacturing-part-i/

https://billmasters3d.com/father-of-3d-printing/

Actualités CAO | L’impression 3D : une invention française abandonnée par la France (lynkoa.com)

 

süti beállítások módosítása