CAD-CAM en maquettes

3d-print of additive manufacturing is een vorm van Computer Aided Manufacturing, kortweg CAM. Het principe van 3d printen is dat een object wordt opgebouwd door het automatisch toevoegen van dunne lagen basismateriaal. Vaak gaat het hier om plastics of kunstharsen, maar er bestaan ook printers die in metaal, gips of andere materialen kunnen printen. De manier waarop de opbouw van lagen gebeurt varieert van het type printer dat wordt gebruikt (Bekijk het overzicht onderaan deze pagina). Deze lagen zijn meestal te onderscheiden in het gefabriceerde object.

De 3d-printer 'weet' hoe de lagen moeten worden aangebracht a.d.h.v. een digitaal 3d-model, gemaakt met behulp van CAD-technologie. Een CAD-model wordt meestal omgezet naar een STL-bestand (Surface Tesselation Language) dat het model definieert als een combinatie van driehoeken. Vervolgens wordt het STL-model door een ander programma opgesplitst in lagen. Het is uiteindelijk aan de hand van dit bestand dat de 3d-printer de lagen kan aanbrengen waaruit het fysieke model zal worden opgebouwd. Dit proces waarbij men een driedimensionaal computermodel maakt dat via additive manufacturing fysiek wordt gerealiseerd, duidt men vaak aan met de term CAD-CAM.

CAD-CAM wordt door steeds meer architectenbureaus toegepast voor de productie van maquettes. Deze ontwikkeling is een logische stap na de introductie van CAD-tekenprogramma's in de ontwerppraktijk van de meeste Vlaamse architectenbureaus. Het werk dat komt kijken bij de omzetting van een digitaal 3d-model naar een fysieke maquette is immers relatief beperkt vergeleken met het arbeidintensieve digitaal ontwerpen m.b.v. CAD-software. Men zou dus kunnen zeggen dat CAD-CAM de kloof tussen fysieke en digitale 3d-modellen aanzienlijk verkleind heeft.

Een voorbeeld van deze nieuwe manier van werken vinden we bij het Vlaamse architectenbureau Ney & Partners, waarvan het VAi naar aanleiding van de maquettestudiedag in 2013 een filmpje liet opnemen. In deze video kun je een 3d printer van het Polyjet-type aan het werk zien. Opvallend is dat er ondanks deze nieuwe technologie toch nog veel handwerk dient te gebeuren, zoals het verwijderen van de oneffenheden en het gladspuiten van het model.

Een verdere stap, die we nog niet zozeer in de architectuur terugvinden, maar wel bij juweel-, mode- of meubelontwerpers, is die waarin 3d-printtechnologie wordt ingezet voor de fabricage van het ontwerp zelf, en dus niet meer enkel als hulpmiddel in het ontwerpproces. In hoeverre de toepassing van additive manufacturing in deze disciplines gemeengoed zal worden of in een experimentele fase zal blijven hangen, valt nog af te wachten. De resultaten die nu echter reeds met behulp van 3d-printen zijn bereikt, behoren onherroepelijk tot ons cultureel erfgoed.

CAD-CAM: Wat voor types 3d-printers bestaan er?

Doorheen de jaren zijn er verschillende technieken ontwikkeld om digitale modellen om te zetten in fysieke, 3d-geprinte materialen. Op deze pagina zetten we de zes meest courante procédés kort uiteen. De printer die het meest wordt gebruikt door architecten is de 3D inkjet printer. Dit overzicht is in grote mate gebaseerd op de lezing van Tim Bechthold, Rapid prototyping in museum collections. Technology - Applications - Durability op Future Talks 2011.

Een gelijkaardig overzicht in het Engels, eveneens met duidelijke tekeningen, is te vinden op http://www.custompartnet.com/wu/additive-fabrication

Stereolithografie (SLA)

Stereolithografie is de oudste commercieel toegepaste vorm van 3d-printen en wordt nog steeds veel gebruikt, vooral voor modelstudies dankzij zijn hoge accuraatheid en goede afwerking van het modeloppervlak. De basismaterialen die bij het proces worden gebruikt, zijn echter erg broos en lichtgevoelig, wat SLA minder geschikt maakt voor eindgebruik en duurzaamheid. Het STL-bestand, een de facto standaard bestandsformaat voor rapid prototyping-toepassingen, werd voor deze vorm van 3d-printen ontwikkeld.

Een bad wordt gevuld met een vloeibare hars (Liquid resin op de tekening). Die hars is samengesteld uit polymeren die gevoelig zijn voor UV-licht.
Het vloeistofoppervlak van de hars wordt bestraald door een gerichte laserstraal, bestaande uit UV-licht, waardoor deze wordt verhard (solidified). Aldus wordt de eerste laag (een doorsnede van het digitale CAD-model) van het 3d-model gecreëerd.
In het bad bevindt zich een platform. Telkens een laag wordt gecreëerd, zakt dit platform met de dikte van een laag (0,05-0,15 mm) naar beneden. Op die manier ontstaat er aan het oppervlak een nieuwe laag vloeibare hars die door de lasterstraal kan worden bewerkt. Geleidelijk wordt het model opgebouwd met het zakken van het platform.
Om elementen zoals bogen of koepels mogelijk te maken, voorziet SLA automatisch in steunstructuren. (Niet zichtbaar op tekening)
Voor de afwerking van het model worden steunstructuren en overtollige harsen verwijderd en volgt er een nabewerking met UV-licht.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modelling werd voor de eerste keer gecommercialiseerd in 1990. De meeste goedkope 'thuisprinters' zijn van dit type. De eindproducten van deze printers zijn in vergelijking met die van andere printers relatief duurzaam, omwille van de robuustheid van de gebruikte basismaterialen

Een kop (1) brengt 'draden' gesmolten materiaal (2) in lagen, van 0,025 tot 1,25 mm, aan op een platform (3).
Het materiaal is van die aard dat het onmiddelijk na aanbrengen verhardt. Meestal bestaat het uit een thermoplast of een metaal.
Op de tekening zien we dat het platform het gehele model in verticale of horizontale richting beweegt. Bij de huidige generaties FDM-printers is het echter de kop die op en neer beweegt.
Steunstructuren worden niet automatisch voorzien zoals bij SLA. Een ontwerper die gebruik wil maken van FDM, zal dus de steunstructuren mee in het CAD-bestand moeten integreren.

Selective Laser Sintering (SLS)

Het principe van SLS is dat materiaalpoeder via een laser vast wordt gesmolten. Dit maakt van SLS de printtechnologie waarmee de grootste variatie van materialen kan worden geprint, gaande van metaal, thermoplasten, keramiek tot glas. Daarom, maar ook omdat bij SLS onmiddellijk vanuit het CAD-bestand kan worden geprint (zonder omzettingen naar STL-bestanden of toevoegingen van steunstructuren), is SLS bijzonder populair voor de creatie van modelstudies. Omwille van de stevigheid van de producten wordt SLS bovendien steeds meer toegepast voor de productie van goederen voor eindgebruik (ook wel rapid manufacturing genoemd). Oppervlakteafwerking en accuraatheid zijn echter minder precies dan bij SLA.

Het proces volgt een gelijkaardig principe als SLA, maar er zijn enkele belangrijke verschillen.

Startpunt is een poederbad (Fabrication powder bed) met als bodem een platform (Fabrication piston) dat laag voor laag kan zakken, zoals ook het geval is bij SLA.
Een sterke laser (meestal een CO2-laser) smelt het losse poeder aan elkaar. Op die manier ontstaat een solide laag, die een dwarsdoorsnede van het CAD-model vormt.
Na de creatie van een laag, zakt het platform met een laagdikte. Met behulp van een roller wordt vanuit een poederreservoir (Powder delivery system) een nieuwe laag poeder aangebracht, die vervolgens weer met de laser wordt bewerkt enz.
Steunstructuren zijn niet nodig omdat het poeder dat niet wordt gesmolten automatisch voor voldoende ondersteuning zorgt.
Na afloop van het proces kan het niet gesmolten poeder worden gerecycleerd.

3D Inkjet Printing

De snelste methode voor het printen in 3D en tevens de enige methode die toelaat om onmiddellijk in kleur te printen. Omwille van zijn relatief lage kost en gebruiksvriendelijkheid (weinig nabewerking nodig) zal dit type printer sneller bij architectenbureaus worden aangetroffen. Accuraatheid, oppervlakteafwerking en duurzaamheid van de eindproducten zijn niet fantastisch, zodat het het vooral tijdens de conceptuele stage van het ontwerp wordt ingezet.

Twee soorten materialen worden gebruikt bij 3D inkjet printen. Het poeder waaruit het model zal worden opgebouwd (hars, gips of maïszetmeel) en het bindmiddel (was of een thermoharder), dat het poeder aan elkaar vastbindt.
Zoals bij SLS zakt het platform laag voor laag, waarna een nieuwe laag poeder uit een reservoir met een roller wordt uitgespreid voor bewerking. Maar in tegenstelling tot SLS wordt het poeder niet aan elkaar gesmolten, maar met het bindmiddel vastgelijmd. Zoals bij een gewone 2D inkjet printer, wordt het bindmiddel in de vorm van druppeltjes op het poeder aangebracht. Op die manier krijgt het object laag per laag vorm.
Steunstructuren zijn normaal niet nodig, want het overgebleven poeder zorgt voor de steun.
Als afwerking dient men enkel de losse poederdeeltjes weg te blazen.

Een 3D inkjet printer in actie is te zien op deze link: http://www.youtube.com/watch?v=YAN-fj77HXc

Polyjet printing

Polyjet printers werden uitgevonden in 2000 en zijn veelbelovend omdat ze gebruiksvriendelijker, goedkoper en gedetailleerder zijn dan SLA. Bovendien is het met deze printer mogelijk om één object met verschillende materialen in één keer te printen. Het procédé vereist wel dat de materialen polymeren zijn.

Twee soorten materialen worden gebruikt bij polyjet printen: Het bouwmateriaal, dat bestaat uit fotopolymeren, en het steunmateriaal, dat bestaat uit een gelachtige was.
Twee koppen brengen respectievelijk het bouw- en steunmateriaal op een platform aan. De fotopolymeren worden meteen beschenen door UV-licht, waardoor deze harden.
Het platform zakt laag voor laag. Deze lagen kunnen bovendien erg dun zijn, tot 0,016 mm.
Steunstructuren dienen niet mee te worden ontworpen, aangezien in ondersteuningsmateriaal is voorzien. Na de productie kan het steunmateriaal verwijderd worden met een waterspuit. Verdere nabewerking is niet mogelijk.

Laminated Object Manufacturing (LOM)

LOM werd ontwikkeld in de vroege jaren 1990. Met deze techniek kan in plastiek of metaal worden geprint, maar ook in (kleef)papier.

De techniek is erg gelijkaardig aan die van SLS. Maar in plaats van met lagen van poeder, wordt gewerkt met dunne, kleverige platen (laminaat). Deze worden aangevoerd van (1) op de tekening.
Een verhitte roller (2) maakt het laminaat vast aan het onderliggend laminaat.
Een laser (3) of een mes snijdt de vereiste vorm uit het laminaat.
Het platform (7) gaat laag voor laag naar beneden, waardoor het object wordt opgebouwd (6)
Het overtollige laminaat wordt afgevoerd (8)

Het duurzaam bewaren van CAD-CAM maquettes

Indien we een duurzaam erfgoedbeleid over maquettes willen ontwikkelen, dienen we dus rekening te houden met de komst van modellen die het resultaat zijn van additive manufacturing. De grote verscheidenheid in printtechnieken en materialen, samen met de snelle ontwikkeling van de technologie, bemoeilijken echter de conservatie van deze objecten. Bovendien is gebleken dat het materiaal waaruit deze 3d-printobjecten opgebouwd zijn over het algemeen niet duurzaam zijn. Het onderzoek naar hun behoud bevindt zich tot slot nog maar in het beginstadium.

Problemen die bij 3d-printobjecten kunnen optreden zijn:

Verkleuring: Basismaterialen die bestaan uit polymeren hebben bv. de neiging om zeer snel te vergelen, wanneer blootgesteld aan licht.
'Delayering': De lagen waaruit het object is opgebouwd vallen uit elkaar.
Metaalcorrosie: Bij 3D-printtechnieken wordt metaalpoeder vastgesmolten d.m.v. een laser. Deze intensieve bewerking heeft tot gevolg dat het metaal zeer snel zal corroderen, zeker wanneer men met combinaties van verschillende metalen gaat werken.
Slecht CAD-ontwerp: De vormgevers of architecten zijn zich niet altijd bewust van de beperkingen van 3D-printers. Wanneer het ontwerp geen rekening houdt met die beperkingen, is het mogelijk dat het niet of slechts met beperkte duurzaamheid kan worden gerealiseerd.

Deze problemen kunnen echter voor een groot deel worden opgelost door samen met de objecten ook de SLT- of CAD-bestanden te bewaren. In theorie kan men de 3d-printobjecten telkens opnieuw afprinten indien nodig, zodat het fysieke object zelfs niet bewaard zou moeten worden. Door de enorm snelle ontwikkeling van de 3d-printtechnologie valt echter te verwachten dat de huidige generatie 3d-printers en basismaterialen op de lange termijn niet meer in de markt zullen zijn. Bovendien mag men niet vergeten dat er na de 3d-printfase meestal nog een intensieve bewerking met de hand volgt, zoals het polijsten of verven van het model. Dit maakt dat deze objecten niet zomaar opnieuw in hun oorspronkelijke toestand kunnen worden uitgeprint en dus samen met hun digitale tegenhanger zo lang mogelijk bewaard dienen te worden.

Zoeken