Σχεδιάζοντας την πραγματικότητα με τρισδιάστατες εκτυπώσεις

Μια πραγματική επανάσταση στη βιομηχανία αλλά και στην καθημερινότητα υπόσχονται οι νέες Τεχνολογίες Προσθετικής Κατασκευής, πιο γνωστή εκ των οποίων είναι η τριδιάστατη εκτύπωση. Πρόσφατα μεταφράσθηκε στα ελληνικά και εκδόθηκε το πρώτο βιβλίο που παρουσιάζει αναλυτικά τις εξελίξεις στο νέο αυτό τεχνολογικό πεδίο, ενώ παράλληλα στις ΗΠΑ εκδόθηκε ένα άλλο βιβλίο-ορόσημο από τους αμερικανούς πρωτεργάτες της νέας τεχνολογίας.

Το βιβλίο «Τεχνολογίες Προσθετικής Κατασκευής: Τριδιάστατη εκτύπωση, ταχεία πρωτοτυποποίηση και άμεση ψηφιακή κατασκευή» των Ιan Gibson, David Rosen και Brent Stucker, που είχε εκδοθεί διεθνώς το 2015, εκδόθηκε και στη χώρα μας από τις εκδόσεις Κριτική. Την επιμέλεια και μετάφραση των 456 σελίδων έκαναν οι Βασίλης Δεδούσης και Γιάννης Γιαννατσής.

Το βιβλίο αποτελεί ένα από τα πιο εμπεριστατωμένα συγγράμματα στο συγκεκριμένο πεδίο, παρουσιάζοντας μια γενική θεώρηση των βασικών αρχών και εννοιών, καθώς και μια σε βάθος ανάλυση των επιμέρους τεχνολογιών, καθώς και των αναπτυσσόμενων εφαρμογών, όπως είναι η παραγωγή σε μικρο-κλίμακα, οι ιατρικές εφαρμογές, η κατασκευή κομματιών για αεροδιαστημικές εφαρμογές και η ταχεία παραγωγή τελικών προϊόντων και εργαλείων (Rapid Manufacturing/Tooling).

Το βιβλίο παρέχει επίσης μια επισκόπηση των υποστηρικτικών τεχνολογιών, όπως τα σχετικά συστήματα λογισμικού, καθώς επίσης οι δευτερεύουσες μέθοδοι αναπαραγωγής (χύτευση εν κενώ, χύτευση ακριβείας) και τελειοποίησης των κομματιών (επιμετάλλωση, λείανση).

O Ian Gibson είναι καθηγητής βιομηχανικού σχεδιασμού στο Πανεπιστήμιο Deakin στην Αυστραλία, ο David Rosen είναι καθηγητής στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Τζόρτζια (Georgia Tech) στην Ατλάντα των ΗΠΑ, ενώ ο Brent Stucker είναι συνιδρυτής-διευθύνων σύμβουλος της εταιρείας 3DSIM LLC και καθηγητής βιομηχανικού σχεδιασμού στο Πανεπιστήμιο της Λύισβιλ στο Κεντάκι.

Τι είναι η Προσθετική Κατασκευή

Αποτελώντας το νεότερο μέλος στην οικογένεια των κατασκευαστικών τεχνολογιών, η προσθετική κατασκευή (Additive Manufacturing) ή τριδιάστατη εκτύπωση (3D Printing), όπως είναι ευρύτερα γνωστή, ενσωματώνει τον χαρακτήρα και τη φιλοσοφία των σχεδιαστικών και κατασκευαστικών τεχνολογιών με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD/CAM – Computer-Aided Design/Manufacturing), καθώς απαιτεί την ύπαρξη ενός ψηφιακού μοντέλου με βάση το οποίο κατασκευάζεται το τελικό προϊόν.

«Προσθετική κατασκευή» είναι o καθιερωμένος πλέον όρος αυτού που τα προηγούμενα χρόνια αποκαλείτο «ταχεία πρωτοτοτυποποίηση» (Rapid Prototyping – RP) και σήμερα είναι γνωστή στο ευρύ κοινό ως τριδιάστατη εκτύπωση (3D printing).

Το βασικό χαρακτηριστικό της προσθετικής τεχνολογίας είναι ότι ένα μοντέλο που αρχικά δημιουργείται με τη χρησιμοποίηση ενός τριδιάστατου συστήματος Computer-Aided Design (3D-CAD), μπορεί πια να κατασκευαστεί απευθείας, χωρίς να απαιτείται προηγουμένως ο προγραμματισμός της διαδικασίας παραγωγής του.

Η προσθετική κατασκευή απλοποιεί σε σημαντικό βαθμό τη διαδικασία κατασκευής τρισδιάστατων αντικειμένων απευθείας από ψηφιακά δεδομένα CAD. Το κάθε κομμάτι δημιουργείται με τη διαδοχική πρόσθεση υλικού σε στρώσεις. Όλες οι σύγχρονες μηχανές προσθετικής κατασκευής που διατίθενται στην αγορά, στηρίζονται σε αυτή τη στρωματική προσέγγιση, ενώ διαφέρουν ως προς το υλικό που μπορούν να χρησιμοποιήσουν, καθώς και στον τρόπο με τον οποίο δημιουργούνται και συγκολλιούνται μεταξύ τους οι στρώσεις.

‘Αλλοι όροι που έχουν χρησιμοποιηθεί για την ίδια ουσιαστικά τεχνολογία, είναι αυτοματοποιημένη κατασκευή (Automated Fabrication – Autofab), κατασκευή ελεύθερης μορφής ή κατασκευή ελεύθερης μορφής στερεού (FreeformFabrication or Solid Freeform Fabrication), στρωματική κατασκευή (Layer-Based Manufacturing), στερεολιθογραφία ή 3D εκτύπωση (Stereolithography or 3D Printing)

Ωστόσο, όπως επισημαίνεται και στο βιβλίο, οι περισσότεροι από τους απασχολούμενους επαγγελματικά στον αντίστοιχο κλάδο προτιμούν τον όρο «manufacturing» αντί του «fabrication», θέλοντας να αποφύγουν τον ελαφρώς αρνητικό συνειρμό του «fabrication», ότι δηλαδή το κατασκευαζόμενο κομμάτι είναι κάποιο «πρωτότυπο» και όχι το τελικό αντικείμενο. Έτσι η χρήση του όρου «προσθετική κατασκευή» «Additive Manufacturing» κερδίζει συνεχώς έδαφος.

Ο όρος τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing) έχει ευρέως προωθηθεί από ερευνητές του Πανεπιστημίου ΜΙΤ των ΗΠΑ, όπου και επινοήθηκε η συγκεκριμένη τεχνολογία, η οποία στηρίζεται σε αρχή παρόμοια με εκείνη των εκτυπωτών ψεκασμού μελάνης (ink-jet). Πολλοί θεωρούν ότι ο όρος «τριδιάστατη εκτύπωση» θα επικρατήσει τελικά για την περιγραφή των τεχνολογιών της προσθετικής κατασκευής, καθώς έχει προτιμηθεί διεθνώς από τα μέσα ενημέρωσης, με αποτέλεσμα το ευρύ κοινό να γνωρίζει καλύτερα τον όρο 3D εκτύπωση παρά προσθετική κατασκευή.

Σε κάθε περίπτωση, η νέα τεχνολογία έχει ήδη φέρει επανάσταση στην ανάπτυξη και στην παραγωγή προϊόντων – και το μέλλον είναι δικό της. Κάποιοι αναλυτές εκτιμούν μάλιστα ότι η παραγωγή προϊόντων, όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, σταδιακά θα πάψει να υπάρχει και θα αντικατασταθεί από παραλλαγές των τεχνολογιών προσθετικής κατασκευής. Η νέα βιομηχανική επανάσταση, σύμφωνα με τους συγγραφείς του βιβλίου, θα επιφέρει αλλαγές στον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζουμε τα προϊόντα, αλλά και ιδρύουμε επιχειρήσεις.

Τα βασικά πλεονεκτήματά της είναι αφενός η μεγάλη επιτάχυνση τής όλης διαδικασίας ανάπτυξης ενός προϊόντος (κάτι που οφείλεται στο ότι χρησιμοποιούνται υπολογιστές από την αρχή μέχρι το τέλος), αφετέρου η μείωση των σταδίων της παραγωγικής διαδικασίας. ‘Ασχετα με την πολυπλοκότητα του κομματιού που πρόκειται να κατασκευαστεί, η κατασκευή στη μηχανή προσθετικής κατασκευής πραγματοποιείται σε ένα και μοναδικό βήμα. Οι περισσότερες από τις άλλες κατασκευαστικές διεργασίες θα απαιτούσαν την εκτέλεση πολλαπλών και επαναληπτικών βημάτων.

Όπως τονίζεται στο βιβλίο, η κατεργασία με το χέρι και άλλες ανάλογες τεχνικές είναι ανιαρές, επίπονες και συνοδεύονται από λάθη. Η τεχνική της χύτευσης είναι δύσκολη και μπορεί να δημιουργεί πολλά απορρίμματα, ενώ απαιτεί την κατασκευή ενός ή περισσοτέρων καλουπιών. Η κατεργασία με εργαλειομηχανές απαιτεί λεπτομερή και προσεκτικό προγραμματισμό, καθώς και μια προσέγγιση διαδοχικών σταδίων.

Σχεδιάζοντας την πραγματικότητα

Το νέο βιβλίο-ορόσημο που μόλις κυκλοφόρησε στις ΗΠΑ από τους πρωτεργάτες της νέας τεχνολογίας αδελφούς Νιλ, ‘Αλαν και Τζόελ Γκέρσενφελντ, φέρει τον τίτλο «Σχεδιάζοντας την πραγματικότητα» (Neil, Alan & Joel Gershenfeld «Designing Reality», Basic Books, 297 σελ.). Προβλέπει την ευρεία εξάπλωση των νέων τρισδιάστατων τεχνολογιών κατασκευής, που αποτελούν την «ατμομηχανή» για μια τρίτη ψηφιακή επανάσταση, ακόμη πιο ριζοσπαστική από ό,τι οι δύο προηγούμενες στο πεδίο των υπολογιστών και των επικοινωνιών.

Ο φυσικός και ειδικός στους υπολογιστές Νιλ Γκέρσενφελντ, διευθυντής του Κέντρου Μπιτ και Ατόμων (Center for Bits and Atoms) του Πανεπιστημίου ΜΙΤ, είναι ο παγκόσμιος πρωτοπόρος των ψηφιακών κατασκευών σε μικρή και κοινοτική κλίμακα. Πριν δύο δεκαετίες, το μάθημά του «Πώς να φτιάξεις (σχεδόν) τα πάντα» πυροδότησε το διεθνές κίνημα των Εργαστηρίων Ψηφιακών Τεχνολογιών Κατασκευής (Fab Labs), κεντρικός στόχος του οποίου είναι κάθε γειτονιά, ομάδα και παρέα να μετατραπεί σε κατασκευαστή κάθε είδους εργαλείων και μηχανών, σε αυτοσχέδια «σπιτικά εργαστήρια» με επίκεντρο τους τρισδιάστατους εκτυπωτές, τους υπολογιστές και τα λέιζερ.

Ο ίδιος, στο νέο βιβλίο, σύμφωνα με το Αθηναϊκό Πρακτορείο Ειδήσεων, οραματίζεται μια μελλοντική κοινωνία δημιουργών, όπου ο καθένας θα σχεδιάζει ψηφιακά και θα παράγει επιτόπου ό,τι θέλει. Σε επόμενο στάδιο, ο Νιλ Γκέρσενφελντ προβλέπει ότι οι τεχνολογίες additive manufacturing και digital fabrication θα αξιοποιούν προγραμματιζόμενα βιολογικά υλικά, που θα επιτρέπουν στα παραγόμενα προϊόντα να εξελίσσονται μόνα τους, αλλά και να αυτοεπιδιορθώνονται.

Τα άλλα δύο αδέλφια είναι κάπως πιο επιφυλακτικά, εκφράζοντας προβληματισμούς για το κατά πόσο η ευρεία εξάπλωση, σε κοινοτικό ακόμη και εξατομικευμένο επίπεδο, τέτοιων κατασκευαστικών δυνατοτήτων μπορεί να κάνει μεγαλύτερη ζημιά στο περιβάλλον ή να εντείνει τις κοινωνικο-οικονομικές ανισότητες. Όπως λένε, οι προηγούμενες τεχνολογικές επαναστάσεις δεν εξαφάνισαν τα ψηφιακά χάσματα και ίσως, ούτε η επόμενη να το πετύχει – αν δεν κάνει τελικά τα πράγματα χειρότερα.

Τονίζουν ότι τα εργαστήρια Fab Labs έχουν πράγματι εξαπλωθεί διεθνώς και ο αριθμός τους διπλασιάζεται κάθε 18 μήνες διεθνώς, παρόλα αυτά πολύ λίγοι άνθρωποι έχουν αποκτήσει μέχρι σήμερα την ικανότητα να παράγουν οι ίδιοι τα πράγματα που θέλουν. Με δεδομένο ότι η τρισδιάστατη εκτύπωση εξαρτάται κυρίως από πετροχημικά προϊόντα, παράγωγα του πετρελαίου, οι ‘Αλαν και Τζόελ Γκέρσενφελντ (καινοτόμος επιχειρηματίας ο πρώτος και καθηγητής του Πανεπιστημίου Μπραντέις ο δεύτερος) φοβούνται μήπως το στήσιμο ενός τέτοιου εργαστηρίου σε κάθε σπίτι αποβεί περιβαλλοντικός εφιάλτης.

Ενώ, δεν αποκλείουν ότι -όπως με τόσα άλλα πράγματα στο παρελθόν- τα μεγάλα επιχειρηματικά συμφέροντα θα καταφέρουν τελικά να εγκολπωθούν και αυτή τη νέα ψηφιακή κατασκευαστική επανάσταση, φέρνοντας την στα δικά τους μέτρα.