Τρισδιάστατος Εκτυπωτής (3D Printer)

Οι ρίζες της 3D εκτύπωσης εντοπίζονται στη δεκαετία του 80, με τον Dr Hideo Kodama να κάνει την πρώτη αναφορά σε μέθοδο για Rapid Prototyping (RP) με χρήση φωτοπολυμερών υλικών το 1981 στην Ιαπωνία. Η πρώτη πατέντα για συσκευή RP αποδίδεται στον Charles Hull, ο οποίος επινόησε την τεχνική της στερεολιθογραφίας για την εκτύπωση τρισδιάστατων αντικειμένων με χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας, η οποία βασίζεται ουσιαστικά στην ιδέα του Kodama, και θεωρείται ο πατέρας του 3D Printing. Κατασκεύασε την πρώτη συσκευή στερεολιθογραφίας (StereoLithography Apparatus - SLA) το 1983 και το 1987 παρουσιάστηκε το πρώτο σύστημα RP, το SLA-1, στο ευρύ κοινό από την εταιρία 3D Systems την οποία ίδρυσε.

Τα επόμενα χρόνια υπήρξε μεγάλο ενδιαφέρον για την νέα τεχνολογία και αναπτύχθηκαν πολλές καινούριες μέθοδοι 3D εκτύπωσης από διάφορες εταιρίες. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2000 η χρήση των 3D εκτυπωτών περιοριζόταν κυρίως σε βιομηχανικές εφαρμογές και, μάλιστα, στην κατασκευή πρωτοτύπων (RP), ώστε να εξετάζεται η καταλληλότητα των προϊόντων πριν αρχίσει η παραγωγή τους. Επίσης, οι συσκευές εκτύπωσης είχαν μεγάλο μέγεθος και κόστος. Σημαντικό γεγονός αποτέλεσε η εφαρμογή της 3D εκτύπωσης στην ιατρική με την επιτυχημένη εκτύπωση ουροδόχου κύστης το 1999, ανοίγοντας τον δρόμο για μια πληθώρα εφαρμογών στην επιστήμη της ιατρικής.

Η δεκαετία του 2000 έφερε αξιοσημείωτες εξελίξεις στον τομέα των 3D εκτυπωτών. Έκαναν, πλέον, την εμφάνισή τους εκτυπωτές που υποστήριζαν τη χρήση διαφορετικών χρωμάτων για τα μοντέλα που κατασκεύαζαν ή διαφορετικών υλικών, ενώ το 2001 κατασκευάστηκε ο πρώτος επιτραπέζιος εκτυπωτής.

Το 2005 το Reprap Project άλλαξε ραγδαία την πορεία της τρισδιάστατης εκτύπωσης. Αποτελεί ένα open-source πρόγραμμα με εμπνευστή τον Adrien Bowyer, μέσω του οποίου προσφέρονται δωρεάν οδηγίες κατασκευής ενός 3D εκτυπωτή και το απαραίτητο software για επικοινωνία με τον υπολογιστή, καθώς και τρισδιάστατα μοντέλα αντικειμένων προς εκτύπωση. Το 2008 αρχίζουν να διατίθενται οι οδηγίες κατασκευής του μοντέλο Reprap Darwin, κάνοντας τους 3D εκτυπωτές προσβάσιμους σε κάθε χρήστη. Ο εκτυπωτής αυτός μπορούσε, μάλιστα, να τυπώσει το 50% των τμημάτων του, κάνοντας εύκολη τη κατασκευή και άλλου εκτυπωτή με την προϋπόθεση ότι ο χρήστης έχει στην κατοχή του το μοντέλο αυτό. Την επόμενη χρονιά κυκλοφόρησε το Reprap Kit, το οποίο περιείχε όλα τα κομμάτια που χρειάζεται ο εκτυπωτής και οδηγίες για την συναρμολόγησή του, με πολύ χαμηλό κόστος.

Τα επόμενα χρόνια, η τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης εξελίχθηκε σημαντικά και εφαρμόστηκε σε μία πληθώρα εφαρμογών σε διάφορες επιστήμες, ενώ το κόστος έπεσε σημαντικά, με έναν οικιακό εκτυπωτή να κοστίζει περίπου 500 δολάρια σε σύγκριση με τις χιλιάδες δολάρια που κόστιζαν τα παλιότερα χρόνια.

Γενικά

Πλέον, αναφερόμαστε στους 3D εκτυπωτές με τον όρο Additive Manufacturing, καθώς δεν περιορίζονται μόνο στην κατασκευή πρωτοτύπων (Rapid Prototyping) αλλά χρησιμοποιούνται και για την παραγωγή τελικών προϊόντων, ενώ βασίζονται στη λογική της κατασκευής ενός αντικειμένου σε επίπεδα υλικού που τοποθετούνται το ένα επάνω στο άλλο. Η διάρκεια μίας εκτύπωσης ποικίλει ανάλογα με το μέγεθος του αντικειμένου και της μεθόδου κατασκευής και κυμαίνεται από λίγα λεπτά μέχρι αρκετές ώρες. Τα υλικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι κυρίως κάποια θερμοπλαστικά και μέταλλα, φωτοπολυμερείς ρητίνες, χαρτί, κεραμικά, άμμος, κερί ακόμα και ανθρώπινα κύτταρα ή φαγητό.

Διαδικασία 3D Εκτύπωσης

Η λειτουργία των τρισδιάστατων εκτυπωτών βασίζεται στην κατασκευή ενός αντικειμένου σε στρώσεις. Η τρισδιάστατη εικόνα του αντικειμένου δημιουργείται με απευθείας χρήση λογισμικού CAD, ή ακόμα με επεξεργασία εικόνας που έχει ληφθεί με 3D Scanner, ψηφιακή κάμερα, Αξονική ή Μαγνητική τομογραφία κτλ. Στη συνέχεια, το τρισδιάστατο μοντέλο μετατρέπεται σε αρχείο τύπου .stl (Standard Tessellation Language) το οποίο αντιλαμβάνεται ο εκτυπωτής. Το αρχείο αυτό περιγράφει το μοντέλο με προσέγγιση της επιφάνειάς του από τρίγωνα στον τρισδιάστατο χώρο (mesh triangles). Όσο περισσότερα και μικρότερα τρίγωνα, τόσο καλύτερη η προσέγγιση του μοντέλου. 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.

Ακολουθεί ο Slicer που “κόβει” το μοντέλο σε επίπεδα με επιθυμητό πάχος(π.χ. 100μm) παράγοντας τον κώδικα G-Code που περιέχει τις πληροφορίες κάθε επιπέδου του αντικειμένου καθώς αυτό εκτυπώνεται, όπως έχει ήδη αναφερθεί, ανά επίπεδο. Ο G-code αποστέλλεται στο πρόγραμμα που επικοινωνεί με τον εκτυπωτή και ξεκινά η εκτύπωση. Πολλές φορές ο Slicer συμπεριλαμβάνεται στο πρόγραμμα επικοινωνίας.

Πηγή: brain.ee.auth.gr