Maszyny CNC na przykładzie drukarki 3D i frezarki 3D Miłosz Wojciechowski Paweł Rochowski

CNC Computerized Numerical Control, CNC (pol. komputerowe sterowanie urządzeń numerycznych) – układ sterowania numerycznego, wyposażony w mikrokomputer, który można dowolnie interaktywnie zaprogramować. Termin ten zwykle używany jest w odniesieniu do obróbki materiałów za pomocą komputerowo sterowanych urządzeń takich jak frezarki, tokarki, drukarki 3D itp. Obróbka CNC pozwala na szybkie, precyzyjne i wysoce powtarzalne wykonanie złożonych kształtów. Typowy proces skomputeryzowanego wytwarzania przedmiotu składa się z faz projektowania wspomaganego komputerowo, przetwarzania projektu na plan sterowania maszyn i właściwego wykonania. Programy i sterowniki CNC nadzorują pracę maszyny, komunikując się przy tym z operatorem (użytkownikiem) za pośrednictwem interfejsu użytkownika. Interfejs ten, we współczesnych wykonaniach najczęściej graficzny, pozwala na wczytywanie, edycję i wykonywanie programów obróbki, wprowadzanie informacji korekcyjnych narzędzi, przesuwanie układu współrzędnych (tzw. bazowanie osi), zmianę parametrów obróbki oraz śledzenie postępów programu.

Historia druku 3D 1984 – Narodziny druku 3D to wtedy narodził się druk 3D. Charles Hull, założyciel giganta tej branży – 3D Systems, wynalazł stereolitografię, technologię, która jako pierwsza umożliwiła tworzenie materialnych przedmiotów na podstawie pliku cyfrowego. Jego pierwszy udany projekt datuje się na rok wcześniej, gdy wydrukował… filiżankę do herbaty dla żony. Hull stworzył również format plików STL, które stało się powszechnie używanym formatem zapisu i wymiany danych pomiędzy oprogramowaniem do tworzenia obiektu cyfrowego na komputerze, a drukarką 3D.

1992 – Pierwsza komercyjna drukarka 3D 3D Systems produkuję pierwszą drukarkę 3D wykorzystującą stereolitografię (SLA). Technologia polegająca na utwardzaniu światłem lasera UV fotopolimer nakładany (wylewany) warstwa po warstwie, umożliwiła tworzenie pierwszych, dość skomplikowanych prototypów. Choć wciąż posiadająca jeszcze liczne wady i słabości, drukarka 3D jest przełomem w prototypowaniu, przyspieszając znacząco czas produkcji modeli nowych części do projektowanych maszyn lub urządzeń.

1999 – Pierwsze próby wykorzystania druku 3D w medycynie Pierwszy wyhodowany laboratoryjnie organ zostaje wszczepiony człowiekowi, w trakcie operacji na pacjencie, któremu zostaje powiększony pęcherz moczowy za przy użyciu syntetycznego szkieletu wykonanemu w technologii druku 3D, pokrytego jego własnymi komórkami. Technologia opracowana przez naukowców z Instytutu Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest w USA, otworzyła drogę do rozwoju nowych działań związanych z inżynierią organową – w tym drukowaniu organów na potrzeby transplantologii.

2002 – Druk 3D nerki Naukowcy Instytutu Medycyny Regeneracyjnej w Wake Forest w USA tworzą miniaturową nerkę, która jest w stanie filtrować krew i produkować urynę wewnątrz zwierzęcia laboratoryjnego. Jest to pierwszy udokumentowany przypadek wydrukowania narządu do transplantacji.

2005 – Opracowanie i stworzenie pierwszego RepRapa Dr. Adrian Bowyer z Uniwersytetu w Bath opracowuje pierwszy model RepRapa – open-source`owego systemu umożliwiającego zbudowanie drukarki 3D, która może sama wydrukować większość swoich komponentów. Powstaje koncepcja samo-replikującej się drukarki 3D (RepRap). Projekt ma na celu zdemokratyzowanie branży przemysłowej poprzez tanie dystrybuowanie elementów do RepRapów ludziom na całym świecie, a następnie umożliwianie im tworzenie własnych przedmiotów.

Rodzic i dziecko 

2008 – Shapeways uruchamia pierwszą beta wersję swojego serwisu SHAPEWAYS – uruchamia pierwszą, prywatną beta wersję serwisu, umożliwiającą artystom, architektom i projektantom na druk 3D ich projektów po dość niskich cenach.

2008 – Druk 3D pierwszej protezy Pierwsza osoba otrzymuje w pełni sprawną i funkcjonalną protezę nogi, wydrukowaną w całości na drukarce 3D. Proteza jest wyposażona we wszystkie części nogi jak: kolano, kostka i stopa. Powstaje firma Bespoke Innovations, która rozpoczyna produkcję protez dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta.

2009 – MakerBot rozpoczyna sprzedaż pierwszych zestawów DIY W Nowym Jorku powstaje MakerBot, firma zajmująca się produkcją drukarek 3D opartych o technologię RepRap i rozpoczyna sprzedaż pierwszych zestawów do samodzielnego montażu (DIY – do it yourself / zrób to sam). Sukces, który za chwilę odniesie na tym polu sprawi, że na rynku pojawi się cała masa naśladowców, a sam druk 3D zacznie zdobywać coraz większą popularność na świecie.

2009 – Powstanie Organovo Dr Gabor Forgacs zakłada Organovo, firmę zajmującą się biodrukowaniem komórek, które prowadzi do druku 3D pierwszych naczyń krwionośnych, a w przyszłości komórek wątroby. Biodrukowanie wchodzi na zupełnie nowy poziom rozwoju.

2011 – Druk 3D pierwszego samolotu Inżynierowie z Uniwersytetu w Southampton projektują pierwszy na świecie samolot, wydrukowany na drukarce 3D. Samolot powstaje w 7 dni. Druk 3D umożliwia wyposażenie samolotu w eliptyczne skrzydła, co przy zwykłym sposobie produkcji jest bardzo drogie. Zastosowanie tego typu skrzydeł zwiększa możliwości areodynamiczne samolotu oraz minimalizuje ich opór.

2011 – Druk 3D pierwszego samochodu Kar Ecologic prezentuje Urbee – samochód przyjazny środowisku, którego obudowa została w całości wykonana przy użyciu drukarek 3D. Samochód został zaprezentowany po raz pierwszy na konferencji TEDxWinnipeg w Kanadzie. Charakteryzuje się bardzo niskim zużyciem paliwa.

2011 – Druk 3D ze złota i srebra MATERIALISE – druga obok SHAPEWAYS największa firma zajmująca się usługowym drukiem 3D, jako pierwsza wprowadza do oferty druk 3D ze 14-karatowego złota oraz srebra. Jest to przełomowa oferta dla branży jubilerskiej, która może zacząć tworzyć unikalną biżuterię minimalizując znacząco koszty jej wykonania.

2012 – Druk 3D implantu szczęki Doktorzy i inżynierowie z Holandii drukują przy użyciu drukarki 3D LayerWise dolną część szczęki, którą z powodzeniem wszczepiają 83- letniej pacjentce cierpiącej na chroniczne zapalenie kości. Technologia, której użyto pozwoli już za kilka miesięcy pójść o krok dalej i wydrukować implanty 75% czaszki pacjenta z USA.

Dlaczego nazwa drukarka 3D? Ruch głowicy drukującej odbywa się w trzech wymiarach. W zwykłej drukarce głowica drukująca porusza się w dwóch wymiarach X i Y. Z X Y

Technologia druku 3D Technologia FDM – Drukowanie trwałych części z tworzyw termoplastycznych Technologia FDM (Fused Deposition Modeling) jest rozwijana od początku lat 90tych przez firmę Stratasys. Od samego początku jej istnienia, główną zaletą było stosunkowo tanie budowanie prototypów z inżynieryjnych, rodzimych tworzyw sztucznych przez co uzyskiwano charakterystykę mechaniczną detali zbliżoną do modeli formowanych wtryskowo. Od 2000r. Stratasys postawiło większy nacisk na poszerzanie spektrum materiałowego i szybkości pracy swoich maszyn, tak aby stało się opłacalnym tworzenie krótkich serii produkcyjnych wyrobów gotowych technologia FDM.

Główne zalety technologii FDM wysoka udarność (wytrzymałość) budowanych detali, własności elastyczne bliskie materiałom docelowym stosowanym w przetwórstwie tworzyw sztucznych, rozpuszczalny materiał podporowy, szybkie tempo budowania pojedynczych detali i małe straty materiałowe, wysokowytrzymałe materiały odporne na temperaturę wysoka dokładność wymiarowa nawet dla bardzo dużych detali powyżej 500 mm rzędu +/-0,15 do +/-0,3 mm w zależności od geometrii i sposobu ułożenia w komorze roboczej, możliwość pracy w warunkach biurowych,

Jak działają drukarki 3D w których występuje technologia FDM Jak działają drukarki 3D w których występuje technologia FDM? Maszyny w których wykorzystywana jest technologia FDM budują detale poprzez nanoszenie warstwa po warstwie roztopionego filamentu (plastiku) tworzywa sztucznego, spajając je w ten sposób z poprzednimi warstwami detalu aż do uzyskania pełnej wysokości modelu. W maszynach FDM proces budowania odbywa się w wysokiej temperaturze aby minimalizować skurcz liniowy materiału i wynikające z tego tytułu odkształcenia.

Kolejne warstwy różnią się dzięki czemu możemy uzyskać zróżnicowane obiekty

Materiał z którego drukujemy Podstawowy materiał to ABS (klocki Lego są z niego zbudowane) i PLA – biodegradowalny polimer.

Prosty interfejs programu do sterowania drukarką 3D

Interfejs Film został wycięty – za duży rozmiar Poruszanie osią X

Interfejs Film został wycięty – za duży rozmiar Poruszanie osią Y

Interfejs Film został wycięty – za duży rozmiar Poruszanie osią Z

Ekstruzja = tłoczenie materiału Interfejs Film został wycięty – za duży rozmiar Ekstruzja = tłoczenie materiału

Przykładowy wydruk (prędkość x4) Film został wycięty – za duży rozmiar

Wgrywamy zaprojektowany model

I otrzymujemy rzeczywisty model

Frezowanie… to inaczej mechaniczna i precyzyjna obróbka materiału: drewna, plastyku, metalu itp.

Klasyczne frezarki przemysłowe sterowane komputerowo oraz wersje kompaktowe

… i wyfrezujesz co chcesz!

Freziowanie krok po kroku Przygotowanie grafiki Przesłanie pliku do Frezi Przygotowanie powierzchni do frezowania Ustawienie parametrów pracy Go!

Freziowanie w praktyce Film został wycięty – za duży rozmiar

Ogranicza nas tylko wyobraźnia Film został wycięty – za duży rozmiar

Symetria

Symetria - odbicie „lustrzane” …ale to nie tylko matematyka (ble). Również fizyka (ble ble), a nawet nauki społeczne. Bądź co bądź, wszystko to opisywane jest uniwersalnym językiem matematyki.

Symetria punktowa (środkowa) Obrazy identyczne względem punktu symetrii

Symetria osiowa Zdjęcie identyczne względem wyróżnionej osi Osi symetrii może być wiele:

Symetria płaszczyznowa Trójwymiarowe figury symetryczne względem płaszczyzn(y)