Wiedza i Życie 09/2015
W numerze m.in.:
Astronomia
2015 – rok czarnych dziur; Przemek Berg
Entomologia
Wylot ważek; Dawid Tatarkiewicz
Klimat
Co zrobi (nam) Atlantyk; Andrzej Hołdys
Matematyka
Muzyka sfer; Tomasz Grębski
Historia
Oswajanie Pałacu; Jakub Halcewicz-Pleskaczewski

Czy nadreprezentacja wielkich owoców w pewnych częściach świata jest wspomnieniem po wymarłych dużych ssakach roślinożernych?

50 lat temu, 15 lipca 1965 r. sonda Mariner 4 zbliżyła się na odległość 9846 km do Czerwonej Planety. Po raz pierwszy mogliśmy przyjrzeć się jej z bliska. Mimo że od tamtej pory dowiedzieliśmy się o Marsie już całkiem sporo, wciąż nie znamy odpowiedzi na jedno z najciekawszych pytań w historii nauki: czy powstało na nim życie?

Na całym świecie zastępy matematyków głowią się nad algorytmami, których nie złamie żaden haker. Nad własną technologią od niedawna pracują również Polacy.

Zaraz, zaraz – czy chodzi o jakiś specjalny rodzaj wody? Przecież woda to woda, prosty związek dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, cóż w niej niezwykłego? A jednak – woda to naprawdę temat rzeka.

Aktualne numery
02/2017
01/2017
Kalendarium
Marzec
23
W 1903 r. bracia Wright złożyli wniosek o przyznanie patentu na ich sposób sterowania maszynami latającymi.
Warto przeczytać
Odkrycia Svante Pääbo zrewolucjonizowały antropologię i doprowadziły do naniesienia poprawek w naszym drzewie genealogicznym. Stały się fundamentem, na którym jeszcze przez długie lata budować będą inni badacze

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-13
Jak królik z kapelusza

Laserowa wiązka kreśli ślad na powierzchni fotopolimeru. Przedmiot, jeszcze chwilę temu będący tylko cyfrową ideą, zaczyna się materializować, warstwa po warstwie. Kształtowanie przyrostowe skróciło czas wykonania prototypów i narzędzi z wielu dni do zaledwie godzin.

Już dziś przez internet możemy kupić czasopismo lub publikację, które da się przeczytać na czytniku z elektronicznym papierem równie wygodnie, jak tradycyjną książkę. Gorzej, gdy w internetowym sklepie zażyczymy sobie kubka do herbaty, zabawki dla dziecka czy zraszacza do trawy. Jesteśmy wówczas skazani na pocztę lub kuriera, który dopiero za dzień, dwa lub trzy dostarczy zakupiony produkt. A gdyby było inaczej? Gdybyśmy w internetowym sklepie kupowali tylko to, co w narzędziu najistotniejsze - jego ideę? Cyfrowy opis przedmiotu zostałby przesłany do urządzenia w naszym domu, a ono wykonałoby produkt na miejscu, w - powiedzmy - godzinę. Wizja przydomowej fabryki wydaje się fantastyczna, lecz od kilkudziesięciu lat rozwijają się technologie, które mogą uczynić ją realną.

Ćwierćwiecze kształtowania

więta Bożego Narodzenia 1956 roku musiały być dla Johna Otto Munza radosnym okresem. Dokładnie 25 grudnia otrzymał amerykański patent na zgłoszone pół roku wcześniej niezwykłe urządzenie, służące do wytwarzania przedmiotów z... cieczy. Pomysł polegał na tym, aby naświetlać wybrane miejsca na powierzchni fotopolimeru, doprowadzając lokalnie do jego utwardzenia. Pojemnik roboczy miał się następnie nieznacznie obniżyć, czemu towarzyszyłoby uzupełnianie ilości płynu w taki sposób, aby ten pokrył utwardzoną warstwę, umożliwiając tym samym naświetlenie kolejnej. Od patentu do realizacji wiodła jednak długa, pełna przeszkód droga. Na przykład pierwsze narzędzia do projektowania komputerowego - niezbędne do efektywnego opisu obiektów trójwymiarowych i dzielenia ich na przekroje - zaczęły się pojawiać dopiero w latach 60.

Minęło ćwierć wieku. W listopadzie 1981 roku Japończyk Hideo Kodama opublikował artykuł o tworzeniu trójwymiarowych modeli za pomocą naświetlania kolejnych przekrojów na powierzchni polimeru utwardzanego światłem ultrafioletowym. Formowanie warstw jest tu już sterowane komputerowo, a dane o kształcie przekrojów są pobierane bezpośrednio z pamięci operacyjnej. W sierpniu następnego roku Alan J. Herbert z amerykańskiej firmy 3M opisuje działające na podobnej zasadzie urządzenie do wykonywania kopii obiektów. Ono również miało korzystać z danych zapisanych w komputerze.

Metoda polegająca na selektywnym utwardzaniu ciekłego polimeru za pomocą światła została nazwana stereolitografią. Dzisiaj za początek jej komercjalizacji uznaje się rok 1984. Wtedy to Charles W. Hull, pracownik kalifornijskiej firmy UVP Inc. (zajmującej się produkcją lamp ultrafioletowych do utwardzania powłok polimerowych), postanowił skonstruować urządzenie do wytwarzania przedmiotów z warstw utwardzonego polimeru. Wkrótce powstał pierwszy obiekt: niewielki kubek z przeświecającego materiału o charakterystycznym, niebieskawym zabarwieniu - podobno do dziś stoi na biurku Hulla. W 1986 roku Hullowi przyznano patent na urządzenie stereolitograficzne. Już rok później, na wystawie w Detroit, działający prototyp przyciągał całe rzesze zainteresowanych. Staje się oczywiste, że rodzi się nowa gałąź przemysłu. Powstaje pierwsza firma, 3D Systems, której Hull jest współzałożycielem. W 1988 roku 3D Systems rozpoczyna sprzedaż maszyny SLA-1, pierwszego komercyjnego urządzenia przekształcającego płynny polimer w realny obiekt.

Cyfrowy początek

ształtowanie przyrostowe - takim terminem określa się zespół metod wytwarzania przedmiotów przez nanoszenie kolejnych warstw - ma sporo zalet. Brak tu kłopotliwego przygotowywania formy, nie ma też charakterystycznych np. dla toczenia ograniczeń kształtu do brył obrotowych. W przeciwieństwie do obróbki skrawaniem, gdzie usuwamy nadmiar materiału, tu ilość odpadów jest niewielka. Co więcej, proces kształtowania przyrostowego zazwyczaj składa się z niewielkiej liczby etapów (w przypadku stereolitografii może się nawet ograniczać do jednego), które są na ogół ciche i bezpieczne. Obiekty można więc wytwarzać w niewielkiej, stojącej w biurze maszynie. Najważniejszy jednak okazał się fakt, że zamiast czekać kilkanaście dni na wytworzenie fizycznego modelu, można go zrobić w ciągu zaledwie godzin.

Jak wygląda faza poprzedzająca powstawanie przedmiotu, a więc przygotowywanie jego cyfrowego opisu? Proces ten jest przeprowadzany za pomocą programów typu CAD, przeznaczonych do projektowania trójwymiarowego. Plik z opisem przedmiotu zostaje następnie przeniesiony do maszyny kształtującej. Dobiera się wówczas odpowiednią orientację przestrzenną obiektu, gwarantującą jego stabilność na każdym etapie wytwarzania. Często bowiem się zdarza, że położenie stabilne w jednej fazie wytwarzania nieco później przestaje nim być. Aby uniknąć takich sytuacji, oprogramowanie zazwyczaj pozwala na uzupełnienie obiektu o układ podpór (w niektórych metodach nie jest to konieczne, gdyż ich rolę przejmuje np. proszek otaczający przedmiot). Należy również zapewnić możliwość odprowadzenia materiału roboczego (proszku lub płynu) z wewnętrznych komór przedmiotu. Cyfrowa bryła zostaje wirtualnie pocięta na przekroje, w sposób zgodny z wymogami danej technologii kształtowania. Dopiero w tym momencie określa się ostateczne rozmiary obiektu oraz grubość warstw i rodzaj materiału, z którego zostaną wykonane poszczególne elementy (w metodach wymagających użycia wysokiej temperatury uwzględnia się tu także efekty termiczne, gdyż niekontrolowane kurczenie elementu podczas schładzania mogłoby doprowadzić do jego deformacji). Tak przygotowane dane trafiają do urządzenia kształtującego.

Gama metod i materiałów

Początkowo przedmioty powstające za pomocą stereolitografii miały nierówne powierzchnie, o wyraźnej, warstwowej strukturze. Teraz to już przeszłość i w najnowszych urządzeniach jakość powierzchni jest podobna do uzyskiwanej przy formowaniu wtryskowym. Parametry wytrzymałościowe materiałów, stosowanych na wczesnych etapach rozwoju stereolitografii, także pozostawiały wiele do życzenia. Nowa metoda pozwalała budować praktycznie dowolne obiekty, nie do wykonania innymi sposobami - np. sferę w sferze - lecz z uwagi m.in. na niską wytrzymałość, można było ich używać wyłącznie do celów wizualizacyjnych. Na szczęście liczba materiałów, które można było zastosować w urządzeniach stereolitograficznych, szybko wzrastała.

Wkrótce pojawiły się także inne metody kształtowania przyrostowego, a wraz z nimi możliwość użycia innych niż tylko fotopolimery substancji roboczych.