Megismételhetetlen formák gombnyomásra

Tudósítás a FabLab és a LOFFICE 3D workshopjáról

A FabLabok olyan, világszerte megtalálható nyitott innovációs műhelyek, amelyek különböző digitális gyártástechológiákkal foglalkoznak, illetve ennek keretében személyre szabott, egyedi tárgyak tervezését, készítését teszik lehetővé. A programban fontos szerepet játszik ezen technológiák nagyközönséggel való megismertetése. Az oktatás olyan workshopokon keresztül valósul meg, mint a jelen cikk témáját képező is, ahol az érdeklődők a 3D-nyomtatással, -szkenneléssel és -modellezéssel kapcsolatos gyakorlati információk mellett az új trendekkel is megismerkedhettek.

Az eseményt a FabLab budapesti innovációs műhelyének képviseletében Pap Dávid a 3D-nyomtatás történetéről és technológiáiról szóló előadása nyitotta meg. Kezdetnek számos, 3D-nyomtatással kapcsolatos tévhitről rántotta le a leplet: megtudhattuk például, hogy a 3D-nyomtatás technológiája közel sem újkeletű (közel a PC-kkel egyidős), és a prototípusgyártás területén már évtizedek óta alkalmazzák. Ezután szóba kerültek a technológiával kapcsolatos leggyakoribb hype-ok (azaz a közösséget foglalkoztató izgalmas beszédtémák és hiedelmek) is, mint például az emberi szervek nyomtatása, vagy a nanoscale printing (azaz a kisméretű, de mechanikailag működőképes modellek nyomtatása). Mint megtudtuk, ezek az elképzelések egyelőre sajnos nagyon távol állnak a valóságtól, egyrészt a felhasználható anyagok korlátai, másrészt a technológia kifinomultságának hiánya miatt.

 

Vannak olyan hype-ok is, amelyeknek ugyan van némi valóságalapjuk, de még nincsenek azon a szinten, hogy korlátlanul alkalmazhatók legyenek: ilyen például a NASA projektje, melynek keretében egy olyan nyomtató létrehozásával foglalkoznak, amely képes zéró gravitációs térben nyomtatni. Habár ez ígéretes kezdeményezésnek tűnik, a nyomtató most még csak egyszerű objektumok nyomtatására alkalmas; ezért a vele kapcsolatos lehetőségek korántsem korlátlanok. Egy másik hiedelem egy bizonyos „óriásnyomtatóval” kapcsolatos, melynek segítségével „komplett” házakat lehet kinyomtatni. Ez is csak részben igaz: Kínában valóban létrehoztak ilyen nyomtatót, de ez csak a tartószerkezet betonból készült falelemeit képes kinyomtatni – ha jobban belegondolunk, egy ház a maga elektromos vezetékeivel, szigetelésével és nyílászáróival egy olyan komplex struktúra, melyből (egyelőre) nem iktathatjuk ki az emberi munkát és a hagyományos gyártási folyamatokat sem.

Az előadás további részében a különböző gyártástechnológiákról, ezen belül az egyes 3D-nyomtatótípusokról esett szó. A gyártástechnológiákon belül megkülönböztethetünk tradicionális (vagy más szóval szubsztraktív) és additív gyártási folyamatokat. Ez utóbbiak körébe tartoznak a különböző 3D-nyomtatással kapcsolatos technológiák is; míg a hagyományos gyártási folyamatok során az anyagot egy „tömbből” fejtik le, hogy a kívánt formát megkapják, addig az additív gyártástechnológia esetében rétegekből (síkalkatrészekből) építik fel az alakzatokat.

Így épül fel egy additív gyártástechnológiával készült modell

A módszernek számos előnye van, például hogy a segítségével szabadabb formaalkotás valósulhat meg: könnyedén legyárthatóvá válnak olyan formák, is melyek a hagyományos technológiákkal csak bonyolult műveletek árán, vagy egyáltalán nem hozhatók létre (például különböző lyukakat, üregeket tartalmazó, vagy számítógépes algoritmusok segítségével készült objektumok). További pozitívum, hogy viszonylag kevés hulladékkal dolgoznak, ezért környezetkímélőek. Előnyeik mellett azonban számos hátrányuk is akad: ilyen például, hogy a nyomtatáshoz nem használhatunk fel bármilyen anyagot, illetve hogy az ilyen módon elkészült darabok sérülékenyebbek, kevésbé időtállóak, mint hagyományos gyártástechnológiákkal készült társaik.

FDM technológiával készült 3D-nyomat

Ennek oka elsősorban a szerkezetükben keresendő: mivel rétegekből épülnek fel, könnyebben sérülnek, törnek, mint az „egyetlen darabból” létrehozott tárgyak és alkatrészek. Ezért van az, hogy az additív gyártástechnológiákat elsősorban a prototípusgyártás, és az egyedi termékek létrehozása területén alkalmazzák: a „papírra vetett” elképzelések ezzel a módszerrel szinte azonnal kézbe vehető, mechanikailag működő modellé változhatnak, ám a fent említett okokból sorozatgyártásra kevéssé alkalmasak. Ráadásul az eljárás jóval költségesebb lenne, mint a hagyományos technológiáknál (ebben az esetben ugyanis minél nagyobb a legyártott munkadarabok száma, annál kisebb az egyetlen darabra jutó költség – additív gyártástechnológia használatánál ennek éppen az ellenkezője igaz). Ez a tény egyébként egy újabb hiedelemmel számol le, nevezetesen, hogy a 3D-nyomatatás előtérbe kerülésében sokan egy „új ipari forradalom” kezdetét látják. A gyakorlat ezzel szemben azt mutatja, hogy additív gyártástechnológiák inkább „együtt élnek” a hagyományos technológiákkal. Éppen ezért a jövőbeni cél valószínűleg egy közös platform létrehozása lesz, amely ötvözi az additív és a tradicionális technológiákat.

FDM technológiával készült, üreges belsejű 3D-nyomat

Miután megismerkedtünk az additív gyártástechnológia lényegével, elérkeztünk az előadás legizgalmasabb részéhez, nevezetesen a különböző 3D-nyomtatótípusok bemutatásához. Bár a működés legfőbb alapelvei minden esetben ugyanazok, a megvalósítás sokszínűsége számos különböző megoldást eredményezett. Ezek közül a legolcsóbb, illetve legegyszerűbben elérhető az FDM (Fused deposition modeling), mely általában valamilyen nagy szilárdságú műanyaggal dolgozik. A nyomtató tartalmaz egy fűtőegységet, mely olvadáspont közelébe hevíti fel az anyagot; ezután a nyomtatófej rétegről-rétegre felépíti a kívánt struktúrát. A technológia előnye, hogy viszonylag gyors, valamint hogy sokféle és olcsó anyag használható fel a nyomtatáshoz. Hátránya, hogy a kinyomtatott tárgyak felülete nem egyenletes – a bemutatott nyomtatók közül ez a típus dolgozik a legkevésbé „szépen”. Ezért azonban kárpótlást jelenthet, hogy relatíve olcsó: egy FDM technológiával működő nyomtató már 200-250 ezer Ft körüli áron beszerezhető.

Bemutató FDM technológiát használó nyomtató működéséről

A workshopon használt FDM nyomtatók

Egy másik technológia az úgynevezett Material Jetting, mely során a nyomtatófej az anyagból apró „pöttyöket” helyez el a munkafelületen (ezeknek méretétől, illetve távolságától függ, hogy mennyire finom „felbontású” lesz a kész modell), melyeket UV-fény segítségével szilárdítanak meg.

Amennyiben a nyomat valamelyik része üreges, a nyomtató úgynevezett „támaszanyagot” nyomtat a lyukakba, mely a későbbiekben onnan kitörhető, illetve vízben oldódó anyag esetén kimosható. A Material Jetting nagy pontosságú nyomtatási forma: segítségével nagyon komplex, működőképes rendszerek állíthatók elő. Hátrányt jelent azonban, hogy a nyomatok hőállóképessége gyengébb, és hamarabb is „öregszenek”, mint a többi technológia esetében. Az ára is magas, 9-10 millió Ft körül mozog.

A Binder Jetting az egyetlen olyan technológia, mely segítségével egy munkafelületen több modell is nyomtatható. A nyomtató egy henger segítségével por alapú anyagot „söpör” a munkafelületre, ahol a nyomtatófej egy pillanatragasztóhoz hasonló anyaggal rögzíti a megfelelő részeket. A megmaradó por ezután eltávolítható, és újra felhasználható. Ezt a technológiát gyakran használják embermásolatok készítésére, mivel ezek a nyomatok adják vissza a legélethűebben az emberi test textúráját.

Bemutató a Binder Jetting technológiát használó nyomtató működéséről

Az SLS (Selective Laser Sintering) technológia hasonlóan működik, mint a Binder Jetting, csak éppen itt pillanatragasztó helyett egy lézerforrás „hegeszti össze” a porszemeket.

A nyomtatás alapanyagául fém is használható: csapágyak, motoralkatrészek modellezésére kiválóan alkalmas. A technológia jól kombinálható a tradicionális gyártási formákkal; ugyanakkor a nyomatok szavatossági ideje igen rövid, és a nyomtató, valamint a nyomtatáshoz használt alapanyagok magyar viszonylatban szinte megfizethetetlenül drágák (ezt jól mutatja, hogy Magyarországon összesen két ilyen nyomtató van, melyek közül egyet az anyagköltségek miatt jelenleg nem is használnak).

Bemutató SLS technológiát használó nyomtató működéséről

Kevésbé drága technológia az SLA (Stereolithography), mely szintén lézert használ az anyag megszilárdításához. A munkaasztal itt a folyékony alapanyagban helyezkedik el; a lézer ezen belül térhálósítja a megadott formát, majd a megszilárdult részek fokozatosan kiemelkednek az alapanyagból, míg a meg nem szilárdult, felesleges anyag egyszerűen visszafolyik. Az eljárás pontos, szép felületet eredményez; Magyarországon valószínűleg az ilyen típusú nyomtatók fognak nagyobb számban elterjedni a jövőben.

Bemutató SLA technológiát használó nyomtató működéséről

A hagyományos gyártástechnológiákra emlékeztető eljárás a LOM (Laminated Object Manufacturing), mely színes és mechanikailag stabil nyomatok előállítását teszi lehetővé. A nyomtatás itt beragasztózott papírrétegek segítségével történik, melyekről egy mechanikus gép minden alkalommal levágja a felesleget. Az így kapott nyomatok azonban nagyon nehezek, ami a legtöbb esetben nem praktikus.

Bemutató LOM technológiát használó nyomtató működéséről

Az előadás végén szóba került néhány különleges kezdeményezés, úgymint a barcelonai székhelyű MiniBuilders Projekt, mely a nagy formák nyomtatását korábbi „óriásnyomtatós” elképzelés helyett több, kis robot segítségével oldaná meg, illetve egy additív gyártósor, mely azonban a magas költségek miatt továbbra sem hatékony.

A következő előadásra – melynek témája a 3D-modellezés és nyomtatás művészetre, divatra és építészetre gyakorolt hatása volt – Szabó Péter tolmácsolásában került sor, akitől megtudhattuk, mit jelent a parametrikus generatív modellezés, illetve betekintést nyerhettünk a tárgytervezés és a szabad formaalkotás világába.

Mindenekelőtt a generatív tervezés fogalmával ismerkedtünk meg, mely lényegében olyan modellek létrehozását jelenti, melyek kialakításához matematikai algoritmusok szolgálnak alapul. A matematikai összefüggések az élet számos területén jelen vannak, például az építészetben (lásd a gótikus épületek monumentális boltívek alkotta tartószerkezetét), vagy a természetben, ahol a különböző organikus geometriák (például a falevelek erezete, vagy a hópelyhek kristályszerkezete) egy adott algoritmus szerint épülnek fel, mégsem lesz köztük soha két teljesen egyforma. Ezt a működést utánozza az úgynevezett parametrikus módszer, ahol a modellezés alapjául szolgáló algoritmusoknak akár százezer különböző kimenete is lehet.

A tárgytervezés gyakorlatában ezt az algoritmust, illetve az abból következő outputokat egy futtatható programkód segítségével hozzák létre (ezt nevezzük komputációs geometriának). A kimenetek közül aztán kiválaszthatjuk a számunkra leginkább alkalmasat. A kész modell a későbbiekben változtatható, alakítható, így a módszer gyors és rugalmas tervezést tesz lehetővé. Éppen ezért számos tervezőprogram is alkalmazza: melyek segítségével egyedi épületeket és tárgyakat tervezhetünk: ilyenek például a Grasshopper vagy a Processing.

A parametrikus generatív modellezés nagy előnye, hogy segítségével egyedi és megismételhetetlen tárgyakat készíthetünk magunknak. Használatával olyan komplex formák is létrehozhatók, melyeket más módszerrel lehetetlen lenne ábrázolni. A megtervezett objektumok egy 3D-nyomtató segítségével viszonylag rövid idő alatt kinyomtathatók. Tervezhetünk magunknak például saját egyedi karkötőt, amely csak a mi csuklónkra illik, vagy éppen különleges formatervezésű lámpaburát – a végeredmény garantáltan egyéni lesz. Az így készült tárgyak előállítási költsége nagyjából megegyezik a tömeggyártásban előállított fröccsöntött műanyag tárgyakéval, ráadásul mivel lebomló anyagból készülnek, a környezetet sem szennyezik.

A modellezésnek ez a formája az építészet területén is számos lehetőséget hordoz magában: segítségével organikus formájú épületek tervezhetők, melyek a természetben is megtalálható alakzatokat vesznek fel. Bár ezek a formák sok esetben elég bonyolultak, megépítésük minden esetben kivitelezhető: a tervezőprogram ugyanis kizárólag megépíthető szerkezeteket hoz létre.

Parametrikus módszerrel készült épületmodell

Az épület- és tárgytervezés során számos olyan újszerű, izgalmas anyag használható, melyek konstrukcióinkat még egyedibbé teszik, mint például az aerogél, mely elektromos impulzus hatására megváltoztatja fényvezető tulajdonságait (átlátszó, üvegszerű anyagból „tejüveggé” változik), vagy a különböző sötétben világító és színváltó anyagok. Magához a 3D-nyomtatáshoz is számos különböző anyag használható: nyomtathatók tárgyak fából (pontosabban egy erre a megszólalásig hasonlító anyagból), viaszból, sőt, még csokoládéból is.

Az elméleti előadások után a 3D-szkennelés és nyomtatás gyakorlatába Veres-Székely Vidor vezette be az érdeklődőket.

 A virtuális modellek tervezésére szolgáló 3D-modellező programok közül néhányat a közönség is kipróbálhatott, mint például a MakerBot Makerware, a Netfabb Basic és az Autodesk Meshmixer szoftvereket.

A szoftver a modellt szeletekre bontja, majd lemodellezi  a 3D-nyomtatás menetét

Az eseményt 3D-nyomtatás és 3D szkenner bemutató zárta:

3D-nyomtatás: készülő 3D-objektum

Strukturált fény alapú 3D szkenner: a bemutató

A cikkben szereplő fotókat a szerző készítette.

Zsigmond Eszter

• Publikálva: 2015.03.25. 10:53 • Címke: digitalizálás, 3D