Что печатает 3D-принтер

Обновлено: 07.07.2024

Как работает 3D-печать? Посмотрите видеоролик о 3D-печати с интервальной съемкой и прочитайте ниже, чтобы узнать все, что вам нужно знать об этой революционной инновации, которая захватывает воображение как крупных производителей, так и любителей. | Видео Мэтти Грина, Департамент энергетики.

На этой неделе мы отмечаем запуск новой серии статей на Energy.gov: How Energy Works.

Три года назад печать трехмерных объектов дома могла показаться чем-то вроде Джетсонов. Но всего за несколько лет 3D-печать произвела настоящий фурор, превратившись из нишевой технологии в революционную инновацию, которая захватывает воображение как крупных производителей, так и любителей.

3D-печать может произвести революцию в производстве, позволяя компаниям (и частным лицам) проектировать и производить продукты новыми способами, а также сокращать материальные отходы, экономить энергию и сокращать время, необходимое для вывода продуктов на рынок.

Что такое 3D-печать?

Технология 3D-печати, впервые изобретенная в 1980-х годах Чаком Халлом, инженером и физиком, прошла долгий путь развития. 3D-печать, также называемая аддитивным производством, представляет собой процесс создания объекта путем нанесения материала по одному крошечному слою за раз.

Основную идею аддитивного производства можно найти в горных породах глубоко под землей (капляющая вода откладывает тонкие слои минералов, образуя сталактиты и сталагмиты), но более современным примером является обычный настольный принтер. Точно так же, как струйный принтер добавляет отдельные точки чернил для формирования изображения, 3D-принтер добавляет материал только там, где он необходим, на основе цифрового файла.

Для сравнения, многие традиционные производственные процессы, недавно получившие название "субтрактивное производство", требуют обрезки лишнего материала для изготовления нужной детали. В результате субтрактивное производство может привести к потере до 30 фунтов материала на каждый 1 фунт полезного материала в некоторых частях, согласно данным Национальной лаборатории Ок-Риджа при Министерстве энергетики.

В некоторых процессах 3D-печати около 98 % исходного материала используется для изготовления готовой детали. Не говоря уже о том, что 3D-печать позволяет производителям создавать новые формы и более легкие детали, которые используют меньше сырья и требуют меньше производственных операций. В свою очередь, это может привести к снижению энергопотребления при 3D-печати — до 50 % меньше энергии для определенных процессов по сравнению с обычными производственными процессами.

Хотя возможности аддитивного производства безграничны, сегодня 3D-печать в основном используется для создания небольших и относительно дорогостоящих компонентов с использованием пластмасс и металлических порошков. Тем не менее, поскольку цены на настольные 3D-принтеры продолжают падать, некоторые новаторы экспериментируют с различными материалами, такими как шоколад и другие продукты питания, воск, керамика и биоматериалы, похожие на человеческие клетки.

Как работает 3D-принтер?

Технологии аддитивного производства бывают разных форм и размеров, но независимо от типа 3D-принтера или материала, который вы используете, процесс 3D-печати состоит из одних и тех же основных этапов.

Все начинается с создания 3D-чертежа с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (обычно называемого САПР). Творцы ограничены только своим воображением. Например, 3D-принтеры использовались для производства всего, от роботов и протезов конечностей до нестандартной обуви и музыкальных инструментов. Национальная лаборатория Ок-Риджа даже сотрудничает с компанией для создания первого 3D-печатного автомобиля с использованием крупномасштабного 3D-принтера, а America Makes — институт пилотных производственных инноваций при президенте, специализирующийся на 3D-печати, — недавно объявил, что предоставляет финансирование для новый недорогой 3D-принтер по металлу.

После создания 3D-чертежа необходимо подготовить принтер. Это включает в себя заправку сырья (например, пластмассы, металлические порошки или связующие растворы) и подготовку платформы для сборки (в некоторых случаях вам может потребоваться очистить ее или нанести клей, чтобы предотвратить движение и деформацию от тепла во время процесса печати). .

Как только вы нажмете кнопку "Печать", машина вступит во владение, автоматически создав нужный объект. Хотя процессы печати различаются в зависимости от типа технологии 3D-печати, экструзия материала (которая включает в себя ряд различных типов процессов, таких как моделирование методом наплавления) является наиболее распространенным процессом, используемым в настольных 3D-принтерах.

Экструзия материала работает как клеевой пистолет. Печатный материал — обычно пластиковая нить — нагревается до жидкого состояния и выдавливается через печатное сопло. Используя информацию из цифрового файла — дизайн разбивается на тонкие двумерные поперечные сечения, чтобы принтер точно знал, куда наносить материал — сопло наносит полимер тонкими слоями, часто толщиной 0,1 миллиметра. Полимер быстро затвердевает, связываясь с нижним слоем, прежде чем платформа сборки опустится, а печатающая головка добавит еще один слой.В зависимости от размера и сложности объекта весь процесс может занять от нескольких минут до нескольких дней.

После завершения печати каждый объект требует некоторой постобработки. Это может варьироваться от отклеивания объекта от платформы для сборки до удаления поддерживающих структур (временный материал, напечатанный для поддержки выступающих частей объекта) до удаления излишков порошка.

Типы 3D-принтеров

За прошедшие годы индустрия 3D-печати значительно выросла, появились новые технологии (и новый язык для описания различных процессов аддитивного производства). Чтобы упростить этот язык, ASTM International — международная организация по стандартизации — выпустила в 2012 году стандартную терминологию, в которой технологии аддитивного производства классифицируются по семи широким категориям. Ниже приведены краткие сведения о различных типах 3D-печати (экструзия материалов описана в предыдущем разделе).

Материальная струйная печать. Как и в стандартном настольном принтере, материал наносится через головку струйного принтера. В этом процессе обычно используется пластик, для затвердевания которого требуется свет (так называемый фотополимер), но он также может печатать воски и другие материалы. Хотя струйная обработка материалов может производить точные детали и включать несколько материалов за счет использования дополнительных сопел для струйных принтеров, машины относительно дороги, а время сборки может быть медленным.
Распыление связующего. При распылении связующего тонкий слой порошка (это может быть что угодно, от пластика или стекла до металлов или песка) прокатывается по рабочей платформе. Затем головка принтера распыляет связующий раствор (похожий на клей), чтобы сплавить порошок только в местах, указанных в цифровом файле. Процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет напечатан, а лишний порошок, который поддерживал объект во время сборки, удаляется и сохраняется для последующего использования. Струйное распыление связующего можно использовать для создания относительно крупных деталей, но это может быть дорого, особенно для больших систем.
Сплавление в порошковом слое: плавление в порошковом слое похоже на струйное распыление связующего, за исключением того, что слои порошка сплавляются вместе (либо расплавляются, либо спекаются — процесс, в котором используется тепло или давление для образования твердой массы материала без его плавления) с использованием источник тепла, такой как лазер или электронный луч. Хотя процессы в порошковом слое позволяют производить высококачественные, прочные полимерные и цельнометаллические детали, выбор сырья для этого типа аддитивного производства ограничен.
Направленное выделение энергии. Направленное выделение энергии может происходить во многих формах, но все они следуют основному процессу. Проволока или порошковый материал наносится тонкими слоями и расплавляется с помощью источника высокой энергии, такого как лазер. Системы направленного осаждения энергии обычно используются для ремонта существующих деталей и создания очень больших деталей, но с этой технологией эти детали часто требуют более сложной постобработки.
Листовое ламинирование. Системы ламинирования листов соединяют тонкие листы материала (обычно бумаги или металлов) вместе с помощью клея, низкотемпературных источников тепла или других форм энергии для создания трехмерного объекта. Системы ламинирования листов позволяют производителям печатать материалами, чувствительными к теплу, такими как бумага и электроника, и предлагают самые низкие материальные затраты по сравнению с любым аддитивным процессом. Но этот процесс может быть немного менее точным, чем некоторые другие типы систем аддитивного производства.
Фотополимеризация в ванне. Фотополимеризация — старейший тип 3D-принтеров — использует жидкую смолу, которая отверждается с помощью специального освещения для создания 3D-объекта. В зависимости от типа принтера он использует лазер или проектор для запуска химической реакции и отверждения тонких слоев смолы. Эти процессы позволяют создавать очень точные детали с мелкими деталями, но выбор материалов ограничен, а машины могут быть дорогими.

Создание страны Создателей

Хотя 3D-печать не нова, недавние достижения в этой технологии (наряду с ростом популярности таких сайтов, как Esty и Kickstarter) привели к творческому возрождению производства, когда любой, у кого есть доступ к принтеру, становится производителем и продуктом. возможности настройки практически не ограничены.

3D-принтеры и другие производственные технологии превращают потребителей в творцов или создателей вещей. Это движение, часто называемое Maker Movement, помогает стимулировать инновации и создает совершенно новый способ ведения бизнеса. Продукты больше не нужно производить массово: их можно производить небольшими партиями, печатать на месте или настраивать в соответствии с уникальными потребностями отдельных людей.

Этот новый способ мышления также проникает в классы благодаря доступу к 3D-принтерам. Учащиеся не ограничены воображением крутых новых идей — они могут воплотить их в жизнь, и это вдохновляет их заниматься наукой, технологиями, инженерией и математикой.Чтобы рассказать студентам об аддитивном производстве и его потенциале, Министерство энергетики, Национальная лаборатория Ок-Риджа и America Makes передали почти 450 3D-принтеров командам, участвующим в конкурсе FIRST Robotics в этом году.

Подъем движения Maker, в котором участвуют как молодые, так и пожилые люди, открывает огромные возможности для Соединенных Штатов. Это может создать основу для новых продуктов и процессов, которые помогут оживить американское производство. Чтобы отпраздновать этот потенциал, президент Обама провел первую ярмарку производителей в Белом доме, на которой новаторы и предприниматели всех возрастов могли показать, что они создали, и поделиться своими знаниями.

Будущее 3D-печати

Аддитивное производство не только влияет на Движение производителей, но и меняет методы ведения бизнеса компаниями и федеральными агентствами.

Компании обращаются к аддитивному производству для создания деталей, которые раньше были невозможны. Примером, на который многие указывают, является использование GE 3D-принтеров для создания топливных форсунок для нового реактивного двигателя, которые прочнее и легче, чем обычные детали. - и федеральные агентства изучают способы использования этой технологии для более эффективного выполнения своих задач. Министерство здравоохранения и социальных служб США создало биржу 3D-печати NIH, чтобы более эффективно обмениваться биомедицинскими моделями для 3D-печати в медицинском сообществе, пока НАСА изучает, как 3D-печать работает в космосе.

Однако это лишь верхушка айсберга, когда речь идет о потенциале аддитивного производства. Для производителей аддитивное производство позволит создавать широкий спектр новых продуктов, которые могут повысить конкурентоспособность отрасли, снизить энергопотребление в отрасли и способствовать развитию экономики экологически чистой энергии.

От помощи в финансировании America Makes, государственно-частного партнерства, призванного сделать США лидером в области 3D-печати, до создания производственного демонстрационного центра в лаборатории Ок-Ридж, Департамент энергетики предоставляет компаниям доступ к технологиям 3D-печати и обучает им — и будущим инженерам — о возможностях технологии. Чтобы обеспечить развитие технологии, национальные лаборатории Департамента сотрудничают с промышленностью для создания новой технологии 3D-печати. Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса недавно объявила о сотрудничестве по разработке новых материалов, аппаратного и программного обеспечения для 3D-печати, а Национальная лаборатория Ок-Ридж сотрудничает в разработке новой коммерческой системы аддитивного производства, которая работает в 200–500 раз быстрее и может печатать пластиковые компоненты в 10 раз больше, чем современные коммерческие 3D-принтеры.

По мере того, как цены падают, а технологии становятся быстрее и точнее, 3D-печать может изменить представление компаний и потребителей о производстве — примерно так же, как первые компьютеры обеспечили быстрый доступ к знаниям, который мы сейчас наблюдаем. считать само собой разумеющимся.

Чтобы узнать больше о работе Министерства энергетики по 3D-печати, посетите веб-сайт Advanced Manufacturing Office.

Вряд ли 3D-печать подойдет любителям, но она способна перевернуть производство и произвести революцию в аэрокосмической отрасли.

Повысьте свои навыки, изучая 3D

Сегодня можно увидеть, как 3D-принтеры строят все, от домов до автомобилей и даже эффективных средств индивидуальной защиты (СИЗ), которые используются медицинскими работниками во всем мире в борьбе с COVID-19.

Что такое 3D-печать?

3D-печать использует автоматизированное проектирование (САПР) для создания трехмерных объектов методом наслоения. Иногда называемая аддитивным производством, 3D-печать включает в себя наслоение материалов, таких как пластмассы, композиты или биоматериалы, для создания объектов различной формы, размера, жесткости и цвета.

Как работает 3D-принтер?

3D-принтеры относятся к семейству аддитивных технологий и используют те же методы, что и традиционные струйные принтеры, хотя и в 3D. Для создания трехмерного объекта с нуля требуется сочетание передового программного обеспечения, порошкообразных материалов и точных инструментов.

3D-печать — невероятно многообещающая технология, применимая практически во всех отраслях.

Обзор 3D-печати

В связи с тем, что больницы переполнены пациентами с COVID-19, а глобальные запасы средств индивидуальной защиты (СИЗ) и медицинских устройств сокращаются, мир обратился к технологиям, чтобы решить эту проблему. Фактически, многие медицинские учреждения обратились к 3D-печати, чтобы снабдить свой персонал столь необходимыми средствами защиты, а также деталями для ремонта своих аппаратов ИВЛ. Крупные корпорации, стартапы и даже старшеклассники с 3D-принтерами откликнулись на призыв. Благодаря 3D-печати миллионы деталей СИЗ и аппаратов ИВЛ были отправлены в больницы, находящиеся на переднем крае этой смертельной битвы. И это только начало возможностей 3D-печати.

Что такое 3D-принтеры? Короче говоря, 3D-принтеры используют автоматизированное проектирование (САПР) для создания 3D-объектов из различных материалов, таких как расплавленный пластик или порошки. Нет, они не похожи на те волшебные ящики из научно-фантастических сериалов. Скорее, принтеры, которые действуют аналогично традиционным струйным 2D-принтерам, используют метод наслоения для создания желаемого объекта. Они работают с нуля и накладывают слой за слоем, пока объект не станет точно таким, каким он был задуман.

Эти принтеры обладают исключительной гибкостью в отношении того, что можно печатать. Они могут использовать пластик для печати на жестких материалах, таких как солнцезащитные очки. Они также могут создавать гибкие объекты, такие как чехлы для телефонов или ручки велосипедов, используя гибридный порошок из резины и пластика. Некоторые 3D-принтеры даже могут печатать из углеродного волокна и металлических порошков чрезвычайно прочные промышленные изделия.

Почему 3D-принтеры важны для будущего? Как объяснялось выше, 3D-принтеры невероятно гибкие; не только в материалах, которые они используют, но и в том, чем они могут печатать. Кроме того, они невероятно точны и быстры, что делает их многообещающим инструментом для будущего производства. Сегодня многие 3D-принтеры используются для так называемого быстрого прототипирования. Компании во всем мире теперь используют 3D-принтеры для создания своих прототипов за считанные часы, вместо того чтобы тратить месяцы времени и, возможно, миллионы долларов на исследования и разработки. На самом деле, некоторые компании утверждают, что 3D-принтеры делают процесс прототипирования в 10 раз быстрее и в 5 раз дешевле, чем обычные исследования и разработки.

3D-принтеры могут использоваться практически во всех отраслях. Они используются не только для прототипирования. Многим 3D-принтерам поручено печатать готовые изделия. В здравоохранении 3D-принтеры используются для создания деталей для ремонта сломанных вентиляторов во время вспышки COVID-19. Строительная индустрия фактически использует этот футуристический метод печати для печати целых домов. Школы по всему миру используют 3D-принтеры для практического обучения в классе, распечатывая трехмерные кости динозавров и элементы робототехники. Благодаря гибкости и адаптивности технологии 3D-печати она мгновенно меняет правила игры в любой отрасли.

Применение 3D-печати/Что можно печатать на 3D-принтере?

Быстрое прототипирование и быстрое производство

3D-печать предоставляет компаниям недорогой и быстрый метод производства прототипов с низким уровнем риска, который позволяет им проверять эффективность нового продукта и ускорять разработку без необходимости использования дорогих моделей или собственных инструментов.

Сделав еще один шаг, компании во многих отраслях также будут использовать 3D-печать для быстрого производства, что позволит им сократить расходы при производстве небольших партий или мелкосерийного производства по индивидуальному заказу.

Функциональные части

3D-печать со временем стала более функциональной и точной, что позволяет создавать и приобретать проприетарные или недоступные детали, чтобы продукт мог производиться в соответствии с графиком. Кроме того, машины и устройства со временем изнашиваются и могут нуждаться в срочном ремонте, и 3D-печать предлагает легкодоступное решение.

Инструменты

Как и функциональные детали, инструменты со временем изнашиваются и могут стать недоступными, устаревшими или дорогостоящими в замене. 3D-печать позволяет легко изготавливать и заменять инструменты для различных применений с высокой надежностью и возможностью повторного использования.

Модели

Хотя 3D-печать не может заменить все формы производства, она представляет собой недорогое решение для создания моделей для визуализации концепций в 3D. От визуализации потребительских товаров до архитектурных моделей, медицинских моделей и образовательных инструментов. Поскольку затраты на 3D-печать снижаются и становятся все более доступными, 3D-печать открывает новые возможности для приложений для моделирования.

Может показаться, что 3D-принтеры пришли из научно-фантастического фильма, но они доказали свою полезность в самых разных отраслях.

Как работают 3D-принтеры?

3D-печать является частью семейства аддитивных технологий и использует методы, аналогичные традиционным струйным принтерам, хотя и в 3D. Для создания трехмерного объекта с нуля требуется сочетание передового программного обеспечения, порошкообразных материалов и точных инструментов. Ниже приведены несколько основных шагов, которые предпринимают 3D-принтеры для воплощения идей в жизнь.

Программное обеспечение для 3D-моделирования

Первым этапом любого процесса 3D-печати является 3D-моделирование. Чтобы добиться максимальной точности (а также потому, что 3D-принтеры не могут волшебным образом угадать, что вы хотите напечатать), все объекты должны быть спроектированы в программном обеспечении для 3D-моделирования. Некоторые конструкции слишком сложны и детализированы для традиционных методов производства. Вот где на помощь приходит это программное обеспечение САПР. Моделирование позволяет печатникам настраивать свой продукт до мельчайших деталей. Способность программного обеспечения для 3D-моделирования обеспечивать точность проектирования — вот почему 3D-печать считается настоящим прорывом во многих отраслях. Это программное обеспечение для моделирования особенно важно для такой отрасли, как стоматология, где лаборатории используют трехмерное программное обеспечение для разработки элайнеров, точно подходящих для конкретного человека. Это также важно для космической отрасли, где они используют программное обеспечение для проектирования некоторых из самых сложных частей ракетного корабля.

Разрез модели

После создания модели пришло время ее «нарезать». Поскольку 3D-принтеры не могут концептуализировать концепцию трех измерений, как люди, инженерам необходимо разбить модель на слои, чтобы принтер мог создать конечный продукт. Программное обеспечение для нарезки сканирует каждый слой модели и сообщает принтеру, как двигаться, чтобы воссоздать этот слой. Слайсеры также сообщают 3D-принтерам, где «заливать» модель. Эта заливка придает 3D-печатному объекту внутренние решетки и колонны, которые помогают формировать и укреплять объект. После того, как модель нарезана, она отправляется на 3D-принтер для фактического процесса печати.

Процесс 3D-печати

Когда моделирование и нарезка 3D-объекта завершены, наступает время для 3D-принтера. Принтер действует в целом так же, как традиционный струйный принтер в процессе прямой 3D-печати, когда сопло перемещается вперед и назад, распределяя воск или пластикоподобный полимер слой за слоем, ожидая, пока этот слой высохнет, а затем добавляя следующий уровень. По сути, он добавляет сотни или тысячи 2D-отпечатков друг к другу, чтобы создать трехмерный объект.

Материалы для 3D-печати

Существует множество различных материалов, которые принтер использует для воссоздания объекта в меру своих возможностей. Вот несколько примеров:

Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС): пластик, которому легко придать форму и который трудно сломать. Тот же материал, из которого сделаны LEGO.
Нити из углеродного волокна. Углеродное волокно используется для создания объектов, которые должны быть прочными, но при этом чрезвычайно легкими.
Проводящие нити. Эти пригодные для печати материалы все еще находятся на экспериментальной стадии и могут использоваться для печати электрических цепей без необходимости использования проводов. Это полезный материал для носимой техники.
Гибкие нити. Гибкие нити позволяют создавать гибкие, но прочные отпечатки. Эти материалы можно использовать для печати чего угодно, от наручных часов до чехлов для телефонов.
Металлическая нить. Металлическая нить изготавливается из тонко измельченных металлов и полимерного клея. Они могут быть изготовлены из стали, латуни, бронзы и меди, чтобы получить истинный внешний вид металлического предмета.
Деревянная нить. Эти нити содержат мелкоизмельченный древесный порошок, смешанный с полимерным клеем. Они, очевидно, используются для печати объектов, похожих на деревянные, и могут выглядеть как более светлое или темное дерево в зависимости от температуры принтера.

Процесс 3D-печати занимает от нескольких часов для очень простых изображений, таких как коробка или мяч, до недель для более крупных проектов, таких как дом в натуральную величину.

Технологии 3D-печати

Существуют также различные типы 3D-печати в зависимости от размера, детализации и объема проекта. Каждый тип принтера будет немного различаться по способу печати объекта.

Моделирование методом наплавления (FDM), вероятно, является наиболее широко используемой формой 3D-печати. Это невероятно полезно для изготовления прототипов и моделей из пластика.
Технология стереолитографии (SLA) – это тип печати для быстрого прототипирования, который лучше всего подходит для печати сложных деталей. Принтер использует ультрафиолетовый лазер для создания объектов в течение нескольких часов.
Цифровая обработка света (DLP) — одна из старейших форм 3D-печати.DLP использует лампы для печати с более высокой скоростью, чем печать SLA, поскольку слои высыхают за секунды.
Непрерывное производство жидкости на границе раздела фаз (CLIP) является одним из наиболее быстрых процессов, использующих фотополимеризацию в ванне. Процесс CLIP использует технологию цифрового синтеза света для проецирования последовательности УФ-изображений на поперечное сечение 3D-печатной детали, что обеспечивает точно контролируемый процесс отверждения. Затем деталь запекают в термальной ванне или печи, вызывая несколько химических реакций, которые позволяют детали затвердеть.
Material Jetting наносит капли материала через сопло небольшого диаметра слой за слоем для создания платформы, которая затвердевает под действием УФ-излучения.
При струйном распылении связующего используется порошкообразный основной материал, равномерно наложенный вместе с жидким связующим, который наносится через струйные сопла, чтобы действовать как клей для частиц порошка.
Моделирование плавленым напылением (FDM) (также известное как изготовление расплавленной нити (FFF)) работает путем разматывания пластиковой нити с катушки и пропускания ее через нагретое сопло в горизонтальном и вертикальном направлениях, формируя объект сразу после затвердевания расплавленного материала. .
Селективное лазерное спекание (SLS) — форма сплавления в порошковом слое, при которой мелкие частицы порошка сплавляются друг с другом с помощью мощного лазера для создания трехмерной формы. Лазер сканирует каждый слой порошкового слоя и выборочно сплавляет их, затем понижает слой порошка на одну толщину и повторяет процесс до завершения.
Другая форма порошковой сварки, Multi-Jet Fusion (MJF), использует подметающую руку для нанесения порошка и руку со струйным принтером для выборочного нанесения связующего сверху. Затем для точности вокруг агента детализации применяется агент детализации. Наконец, тепловая энергия применяется, чтобы вызвать химическую реакцию. В прямом лазерном спекании металлов (DMLS) также используется тот же процесс, но только с металлическим порошком.
Листовое ламинирование связывает материал в листы под действием внешней силы и сваривает их вместе с помощью послойной ультразвуковой сварки. Затем листы фрезеруются на станке с ЧПУ, чтобы сформировать форму объекта.
Направленное осаждение энергии распространено в металлургической промышленности и работает с помощью устройства 3D-печати, прикрепленного к многоосевой роботизированной руке с соплом для нанесения металлического порошка. Порошок наносится на поверхность и источник энергии, который затем плавит материал, образуя твердый объект.

Сколько стоят 3D-принтеры?

Стоимость 3D-принтеров зависит от размера, специализации и использования. Самые дешевые 3D-принтеры стоят около 200 долларов, а некоторые промышленные 3D-принтеры могут стоить до 100 000 долларов. Средний потребитель платит около 650 долларов за 3D-принтер. Мы увидим резкое падение цен по мере того, как технология 3D-печати получит более широкое распространение.

3D-печать предоставила несколько полезных решений для строительства, медицины, пищевой и аэрокосмической промышленности.

Примеры 3D-печати

Еда, напечатанная на 3D-принтере

Еда, напечатанная на 3D-принтере, кажется чем-то из Jetsons или слишком хороша, чтобы быть правдой. На самом деле, если его можно очистить, его можно безопасно напечатать. Словно что-то из научно-фантастического шоу, 3D-принтеры накладывают настоящие протертые ингредиенты, такие как курица и морковь, чтобы воссоздать продукты, которые мы знаем и любим. Еда, напечатанная на 3D-принтере, абсолютно безопасна для употребления в пищу, если принтер полностью очищен и работает должным образом. Хотя, возможно, вы захотите заказать еду заранее. 3D-принтеры еды все еще относительно медленные. Например, детализированная шоколадка печатается примерно 15-20 минут. Несмотря на это, мы видели, как печатники изготавливали все, от гамбургеров до пиццы и даже пряничных домиков, используя эту потрясающую технологию.

3D-печатные дома

Некоммерческие организации и города по всему миру обращаются к 3D-печати, чтобы решить глобальный кризис бездомных. New Story, некоммерческая организация, занимающаяся улучшением условий жизни, на самом деле печатает дома прямо сейчас. Используя принтер длиной 33 фута, New Story может изготовить дом площадью 500 квадратных футов со стенами, окнами и двумя спальнями всего за 24 часа. На данный момент New Story создала мини-районы с помощью 3D-печати в Мексике, Гаити, Сальвадоре и Боливии, при этом более 2000 домов полностью напечатаны.

3D-печать органов и протезов конечностей

В ближайшем будущем мы увидим, как 3D-принтеры будут создавать рабочие органы для тех, кто ожидает трансплантации. Вместо традиционного процесса донорства органов врачи и инженеры объединяются для разработки следующей волны медицинских технологий, которые могут создавать сердца, почки и печень с нуля.В этом процессе органы сначала моделируются в 3D с использованием точных характеристик тела реципиента, затем комбинация живых клеток и полимерного геля (более известного как биочернила) печатается слой за слоем для создания живого человеческого органа. Эта передовая технология способна изменить известную нам медицинскую отрасль и сократить резкое увеличение числа пациентов в списке ожидания на донорство органов в США.

3D-печать предлагает несколько дополнительных революционных способов улучшить качество жизни пациентов и сделать решения более доступными для медицинских работников. Возможно, наиболее впечатляющим является то, что технология 3D-печати даже ускорила производство и долговечность протезов при одновременном снижении затрат, например, как GE Additive произвела более 10 000 протезов тазобедренного сустава с помощью 3D-печати с 2007 по 2018 год.

Аэрокосмическая технология 3D-печати

Будет ли будущее космических путешествий зависеть от ракет, напечатанных на 3D-принтере? Такие компании, как Relativity Space в Калифорнии, думают именно так. Компания утверждает, что может напечатать действующую ракету всего за несколько дней, используя в сто раз меньше деталей, чем обычный шаттл. Первая концептуальная ракета компании, Terran 1, займет всего 60 дней от начала печати до запуска в космос. Ракета будет напечатана по индивидуальному заказу с использованием запатентованного металлического сплава, который максимизирует грузоподъемность и минимизирует время сборки. Общая грузоподъемность этой ракеты достигает 1750 кг (примерно вес среднего носорога). Неплохо для того, что вышло из принтера.

Материалы, напечатанные на 3D-принтере, не только проще производить быстро и с меньшими затратами, но и позволяют сократить общее количество деталей, которые необходимо сварить вместе, а также значительно снизить вес и повысить прочность. Еще одним известным примером является двигатель LEAP компании GE Aviation, самый продаваемый двигатель в аэрокосмической отрасли, в котором используются напечатанные на 3D-принтере кобальт-хромовые топливные форсунки, которые весят на 25 % меньше и в пять раз прочнее, чем форсунки традиционного производства.

3D-печатные автомобили

3D-печать уже много лет используется в автомобильной промышленности, что позволяет компаниям сократить циклы проектирования и производства, а также уменьшить количество необходимых запасов. Запасные части, инструменты, приспособления и приспособления могут производиться по мере необходимости, обеспечивая при этом гибкость, невообразимую для предыдущих поколений.

Кроме того, 3D-печать позволяет автолюбителям настраивать свои автомобили или восстанавливать старые автомобили с помощью деталей, которые больше не производятся. Авторемонтные мастерские могут даже использовать 3D-печать, когда сталкиваются с необычными запросами на ремонт.

Потребительские товары, напечатанные на 3D-принтере

Потребительские товары без качества цифровой или электронной сборки, такие как обувь, очки, украшения и т. д., можно массово производить с помощью 3D-печати. В то время как корпус или рама различных других продуктов могут быть изготовлены с помощью 3D-печати, любой предмет, который может быть изготовлен в пресс-форме, также может быть изготовлен с помощью 3D-печати.

3D-принтеры — это новое поколение машин, которые могут изготавливать повседневные вещи. Они замечательны тем, что могут производить разные предметы из разных материалов на одном и том же станке.

На 3D-принтере можно изготовить практически все, от керамических чашек до пластиковых игрушек, металлических деталей машин, керамических ваз, необычных шоколадных тортов и даже (в скором времени) частей человеческого тела.

Они заменяют традиционные заводские производственные линии одной машиной, точно так же, как домашние струйные принтеры заменили бутылки с чернилами, печатный станок, литейный литер и сушилку.

Почему это называется печатью?

Если вы внимательно посмотрите (в микроскоп) на страницу с текстом на домашнем принтере, вы увидите, что буквы не просто окрашивают бумагу, они на самом деле немного прилегают к поверхности страницы. .

Теоретически, если вы напечатаете одну и ту же страницу несколько тысяч раз, в конечном итоге чернила наложатся друг на друга достаточно слоев, чтобы создать твердую трехмерную модель каждой буквы. Идея создания физической формы из крошечных слоев — это то, как работали первые 3D-принтеры.

Как работают 3D-принтеры?

Вы начинаете с создания 3D-объекта на обычном домашнем ПК, подключаете его к 3D-принтеру, нажимаете кнопку «Печать», а затем сидите и смотрите. Процесс немного похож на приготовление буханки нарезанного хлеба, но в обратном порядке. Представьте, что выпекаете каждый отдельный ломтик хлеба, а затем склеиваете их вместе в целую буханку (в отличие от того, чтобы сделать целую буханку, а затем нарезать ее, как это делает пекарь). Это в основном то, что делает 3D-принтер.

В процессе 3D-печати целый объект превращается в тысячи крошечных кусочков, а затем создается снизу вверх, кусочек за кусочком. Эти крошечные слои слипаются, образуя твердый объект.Каждый слой может быть очень сложным, а это означает, что 3D-принтеры могут создавать движущиеся части, такие как шарниры и колеса, как часть одного и того же объекта. Вы можете напечатать целый велосипед — руль, седло, раму, колеса, тормоза, педали и цепь — в собранном виде, без использования каких-либо инструментов. Нужно просто оставить пробелы в нужных местах.

Какие возможности?

Вы когда-нибудь ломали что-то, но обнаруживали, что оно больше не продается, и вы не можете его заменить? 3D-печать означает, что вы можете просто напечатать новый. Тот мир, где дома можно сделать практически все, сильно отличается от того, в котором мы живем сегодня. Это мир, в котором не нужны грузовики для доставки товаров или склады для их хранения, где всегда ничего нет на складе и где меньше отходов, упаковки и загрязнения.

Это также мир, в котором предметы повседневного обихода изготавливаются на заказ в соответствии с вашими требованиями. Это означает, что мебель подгоняется под ваш дом, обувь подгоняется под ваши ноги, дверные ручки подстраиваются под вашу руку, блюда распечатываются по вашему вкусу одним нажатием кнопки. Даже лекарства, кости, органы и кожа, сделанные для лечения ваших травм.

Вы можете получить некоторые из этих вещей сейчас, если вы богаты, но 3D-печать делает доступным производство на заказ в массы. Если это звучит как чистая фантазия, попробуйте погуглить «персонализированные 3D-печатные продукты» и убедитесь сами. В конце концов, идея делать покупки в супермаркете на iPad была чем-то вроде «Звездного пути» 20 лет назад.

Каковы ограничения?

Хотя покупка 3D-принтера намного дешевле, чем создание фабрики, стоимость единицы продукции, которую вы производите, выше, поэтому экономичность 3D-печати пока не идет в сравнение с традиционным массовым производством. Он также не может сравниться с гладкой поверхностью промышленных машин и не предлагает разнообразие материалов или диапазон размеров, доступных в промышленных процессах. Но, как и многие бытовые технологии, со временем цены на них снизятся, а возможности 3D-принтеров будут улучшаться.

Это следующая большая вещь?

Да, если вы дизайнер продукта или инженер, но для большинства людей нет.

Как и все новые технологии, ажиотаж в отрасли на несколько лет опережает реальность потребителей. Это новая технология, которая, как и в случае с домашними компьютерами или мобильными телефонами, означает, что большинство людей будут скептически относиться к их необходимости до тех пор, пока они не появятся у всех… и тогда мы все будем удивляться, как мы раньше обходились без них.

Регистрация — это бесплатный и простой способ поддержать нашу по-настоящему независимую журналистику

Зарегистрировавшись, вы также получите ограниченный доступ к статьям Premium, эксклюзивным информационным бюллетеням, комментариям и виртуальным мероприятиям с нашими ведущими журналистами

У вас уже есть аккаунт? войти

Нажимая «Зарегистрироваться», вы подтверждаете, что ваши данные были введены правильно, а также вы прочитали и согласны с нашими Условиями использования, Политикой в отношении файлов cookie и Уведомлением о конфиденциальности.

Этот сайт защищен reCAPTCHA, к нему применяются Политика конфиденциальности и Условия использования Google.

Присоединяйтесь к нашему новому форуму комментариев

Присоединяйтесь к наводящим на размышления беседам, подписывайтесь на других независимых читателей и читайте их ответы

1 /1 Как работают 3D-принтеры?

Как работают 3D-принтеры?

Вы слышали шумиху вокруг 3D-печати, но как она работает на самом деле? Эндрю Уокер объясняет, что это похоже на выпекание нарезанного буханки хлеба задом наперед

3D-принтеры стали достаточно доступными, чтобы стать массовым явлением, но стоит ли их покупать? Прежде чем углубляться в эту тему, вам следует подумать о материалах, возможном использовании, программном обеспечении и многом другом.

Что такое 3D-печать?

В своей основе 3D-печать — это производственный процесс, в ходе которого материал укладывается слой за слоем, образуя трехмерный объект. (Этот процесс считается аддитивным, поскольку объект создается с нуля, в отличие от субтрактивных процессов, при которых материал режется, сверлится, фрезеруется или подвергается механической обработке.) Хотя в 3D-принтерах используются различные материалы (например, пластик или металл), и методы (см. «Как работает 3D-печать?» ниже), они имеют общую способность превращать цифровые файлы, содержащие трехмерные данные, независимо от того, созданы ли они в программе автоматизированного проектирования (CAD) или автоматизированного производства (CAM), или с 3D-сканера — в физические объекты.

Является ли 3D-печать даже печатью?

Да, 3D-печать можно считать печатью, хотя и не в традиционном понимании. Соответствующие определения Вебстера «печати» сосредоточены на производстве печатных материалов, публикаций или фотографий и производстве посредством оттиска (приложения давления). Ни одно из определений не подходит для 3D-печати. Но с технологической точки зрения 3D-печать является результатом традиционной печати, при которой наносится слой материала (обычно чернил).Обычно он настолько тонкий, что заметной высоты не видно (правда, у твердоструйных принтеров он несколько толще). Что делает 3D-печать, так это значительно увеличивает эту высоту за счет нанесения нескольких слоев. Поэтому было бы целесообразно расширить определение печати, включив в него изготовление трехмерных объектов таким способом.

Как работает 3D-печать?

Как и традиционные принтеры, 3D-принтеры используют различные технологии. Наиболее известным из них является моделирование наплавления (FDM), также известное как изготовление плавленых нитей (FFF). В нем нить, состоящая из акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), полимолочной кислоты (ПЛА) или другого термопластика, расплавляется и осаждается через нагретое экструзионное сопло слоями. Первые 3D-принтеры, выпущенные на рынок компанией Stratasys с помощью IBM в середине 1990-х годов, использовали FDM (термин, зарегистрированный торговой маркой Stratasys), как и большинство 3D-принтеров, ориентированных на потребителей, любителей и школы.

Еще одна технология, используемая в 3D-печати, — стереолитография. В нем УФ-лазер освещает ванну с чувствительным к ультрафиолету фотополимером, отслеживая создаваемый объект на его поверхности. Полимер затвердевает везде, где его касается луч, и луч «печатает» объект слой за слоем в соответствии с инструкциями в файле CAD или CAM, с которым он работает.

В качестве альтернативы у вас также есть 3D-печать с цифровым световым проектором (DLP). Этот метод подвергает жидкий полимер воздействию света от проектора с цифровой обработкой света. Это затвердевает полимер слой за слоем, пока объект не будет построен, а оставшийся жидкий полимер не будет слит.

Мультиструйное моделирование — это система 3D-печати, похожая на струйную, которая распыляет цветное связующее вещество, похожее на клей, на последовательные слои порошка, где должен быть сформирован объект. Это один из самых быстрых методов и один из немногих, поддерживающих многоцветную печать.

Стандартный струйный принтер можно модифицировать для печати другими материалами, кроме чернил. Предприимчивые самодельщики построили или модифицировали печатающие головки, как правило, пьезоэлектрические, для работы с различными материалами — в некоторых случаях печатая сами печатающие головки на других 3D-принтерах! Такие компании, как MicroFab Technologies, продают печатающие головки с поддержкой 3D (а также полные системы печати).

При селективном лазерном спекании (SLS) используется мощный лазер для сплавления частиц пластика, металла, керамики или стекла. В конце работы оставшийся материал перерабатывается. Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) использует, как вы уже догадались, электронный луч для расплавления металлического порошка слой за слоем. Титан часто используется с EBM для синтеза медицинских имплантатов, а также деталей самолетов.

В зависимости от технологии 3D-принтеры могут использовать различные материалы, в том числе металлы (среди них нержавеющая сталь, припой, алюминий и титан); пластмассы и полимеры (в том числе композиты, сочетающие пластики с металлами, деревом и другими материалами); керамика; штукатурка; стакан; и даже такие продукты, как сыр, глазурь и шоколад! (См. наш учебник по типам нитей для 3D-принтеров.)

Кто изобрел 3D-печать?

Первый 3D-принтер, в котором использовалась техника стереолитографии, был создан Чарльзом У. Халлом в середине 1980-х годов. Стереолитография традиционно была дорогостоящей коммерческой техникой, машины стоили пяти- и даже шестизначные суммы, но в последние годы появились настольные профессиональные стереолитографические принтеры стоимостью в несколько тысяч долларов, а также потребительские системы, которые начинаются намного дешевле.

В 1986 году Халл основал компанию 3D Systems, которая сегодня продает 3D-принтеры, использующие различные технологии. Они варьируются от комплектов начального уровня до продвинутых коммерческих систем, а 3D Systems также предоставляет услуги по запчастям по запросу, в основном для бизнес-пользователей.

Каковы преимущества 3D-печати?

С помощью 3D-печати дизайнеры могут быстро преобразовывать концепции в 3D-модели или прототипы (так называемое "быстрое прототипирование") и быстро вносить изменения в дизайн. Это позволяет производителям производить продукцию по запросу, а не большими партиями, улучшая управление запасами и сокращая складские площади. Люди в отдаленных местах могут создавать объекты, которые иначе были бы им недоступны.

С практической точки зрения 3D-печать может сэкономить деньги и материалы по сравнению с субтрактивными методами, поскольку впустую расходуется очень мало исходного материала. И это обещает изменить характер производства, в конечном итоге позволяя потребителям загружать файлы для печати даже сложных 3D-объектов, включая, например, электронные устройства, у себя дома.

Что могут делать 3D-принтеры?

Дизайнеры используют 3D-принтеры для быстрого создания моделей и прототипов продуктов, но они все чаще используются и для создания конечных продуктов. Среди изделий, изготовленных с помощью 3D-принтеров, — модели обуви, мебель, восковые отливки для изготовления украшений, инструменты, штативы, подарки и новинки, а также игрушки.Автомобильная и авиационная промышленность используют 3D-принтеры для изготовления деталей. Художники могут создавать скульптуры, а архитекторы могут изготавливать модели своих проектов. Археологи используют 3D-принтеры для реконструкции моделей хрупких артефактов, в том числе некоторых древностей, которые в последние годы были уничтожены ИГИЛ. Точно так же палеонтологи и их студенты могут копировать скелеты динозавров и другие окаменелости. Посмотрите нашу галерею простых и практичных объектов для 3D-принтеров.

Врачи и медицинские работники могут использовать 3D-печать для изготовления протезов, слуховых аппаратов, искусственных зубов и костных трансплантатов, а также копировать модели органов, опухолей и других внутренних структур тела на основе компьютерной томографии при подготовке к операции. Хорошим примером является Project Daniel, который печатает на 3D-принтере протезы рук и кистей для жертв насилия в Судане. Кроме того, разрабатываемые 3D-принтеры, которые могут накладывать слои клеток для создания искусственных органов (таких как почки и кровеносные сосуды), уже находятся на стадии исследований и разработок. В криминалистике даже есть место для 3D-печати, например, для воспроизведения пули, попавшей внутрь жертвы.

Печатная электроника — это набор методов печати, которые позволяют печатать электронные устройства или схемы на гибких материалах, таких как этикетки, ткани и картон, с помощью электронных или оптических чернил. Это обеспечивает очень дешевое изготовление низкопроизводительных устройств. Печатная электроника начинает сочетаться с 3D-печатью, что позволяет печатать многослойные схемы или устройства. Естественным следствием этой мощной комбинации является то, что когда-нибудь вы сможете распечатывать гаджеты из 3D-чертежей, а не покупать их.

Приготовление пищи — еще один способ использования 3D-принтеров. Французский кулинарный институт использует 3D-принтер с открытым исходным кодом, разработанный в Корнельском университете, для приготовления художественных деликатесов, а Массачусетский технологический институт создал пищевой 3D-принтер под названием «Рог изобилия». Небольшое количество ресторанов тестируют прототипы пищевых принтеров. Исследования НАСА в области 3D-печати включали печать продуктов питания, таких как пицца, напечатанная на 3D-принтере.

Что такое услуги 3D-печати?

Вам не обязательно иметь 3D-принтер, чтобы пользоваться им. Многие службы 3D-печати, такие как Shapeways и Sculpteo, печатают подарки и другие мелкие предметы на заказ на собственных 3D-принтерах, а затем отправляют их покупателю. Клиенты могут либо отправить свои собственные файлы 3D-объектов, либо выбрать элементы, большинство из которых разработаны другими пользователями службы, из онлайн-каталога.

Однако услуги 3D-печати больше не являются прерогативой специалистов. Крупные компании, такие как UPS, представили услуги 3D-печати, а некоторые традиционные типографии добавили в свой репертуар 3D-печать по требованию.

Где я могу получить 3D-принтер?

Несколько интернет-магазинов специализируются на 3D-принтерах, например Dynamism, которая продает ряд 3D-принтеров от разных брендов, а также предоставляет поддержку клиентов.

Какое программное обеспечение мне нужно для 3D-печати?

Почти все 3D-принтеры принимают файлы в так называемом формате STL (названном в честь стереолитографии). Эти типы файлов могут создаваться практически любым программным обеспечением САПР, от дорогих коммерческих пакетов, таких как AutoCAD, до бесплатных продуктов или продуктов с открытым исходным кодом, таких как Google SketchUp и Blender. Для тех, кто не склонен создавать свои собственные 3D-файлы, базы данных 3D-объектов, такие как Thingiverse MakerBot, предлагают множество файлов 3D-объектов, которые можно загрузить и распечатать.

Большинство 3D-принтеров поставляются с пакетом программного обеспечения, поставляемым на диске или доступным для загрузки, которое включает в себя все необходимое для печати. Пакеты обычно содержат программу для управления принтером и слайсером, который при подготовке к печати форматирует объектный файл по слоям в зависимости от выбранного разрешения и других факторов. Некоторые наборы включают программу для «исцеления» объектного файла путем исправления проблем, которые могут помешать плавной печати. Программы вышли из движения RepRap с открытым исходным кодом, из которого развилась 3D-печать для любителей. Для некоторых принтеров вы можете выбрать для загрузки отдельные компоненты программы, а не использовать все, что входит в комплект.

Что ждет 3D-печать в будущем?

Разнообразие 3D-принтеров для дома и малого бизнеса легкодоступно — PCMag рассмотрел довольно много из них, — но они по-прежнему часто рассматриваются как экзотические и довольно дорогие приспособления. Ожидайте, что это изменится в течение следующих нескольких лет, когда 3D-принтеры станут более распространенным явлением в домах — их можно будет найти на рабочих местах, в студиях, в домашних офисах и даже на кухне. Возможно, вы не найдете их в каждом доме, но они станут незаменимыми для тех, у кого они есть. По большей части предметы, изготовленные с помощью 3D-принтеров, имеют однородный интерьер, но мы начнем видеть более сложные творения, сочетающие несколько материалов и композитов, а также электронику для печати.С современными 3D-принтерами, если вы потеряете крышку батарейного отсека пульта телевизора, можно будет напечатать новую крышку. Завтра, если вы потеряете свой пульт, возможно, вы сможете напечатать совершенно новый пульт.

Кроме того, 3D-печать прочно закрепилась в космосе. НАСА экспериментирует с 3D-принтерами на борту Международной космической станции. В конце концов, 3D-принтеры можно будет использовать для создания мест обитания на Марсе и в других мирах. Чтобы спасти астронавтов Аполлона-13 от смерти от удушья угарным газом, НАСА фактически пришлось найти способ вставить квадратный стержень в круглое отверстие. Если бы на борту был 3D-принтер, они могли бы легко решить проблему, спроектировав и напечатав разъем.

Астронавты не могут обратиться в Home Depot, если им нужно заменить клапан или устройство, но 3D-принтер может изготовить их по мере необходимости. Точно так же мы увидим 3D-принтеры на антарктических базах и в других отдаленных уголках Земли, где люди не могут ждать шесть месяцев следующего пополнения запасов для замены основных деталей или инструментов.

Применение 3D-печати в медицине не ограничивается протезированием, слуховыми аппаратами и зубными коронками. (См. раздел «Что могут делать 3D-принтеры?» выше, чтобы ознакомиться с тем, что находится в разработке.) Запасные части не обязательно должны ограничиваться механическими деталями.

В последние несколько лет мы наблюдаем взрывной рост разнообразия и использования 3D-принтеров. Это похоже на то, где персональные компьютеры были примерно в 1980 году. Хотя достаточно легко увидеть, в какие области будет разветвляться область 3D-печати, другие мы не в состоянии предсказать, точно так же, как никто в 1980 году не мог себе представить многое из того, что персональный компьютер превратился бы в. Вполне возможно, что 3D-печать может не иметь такого же влияния, как ПК, на потребительском, повседневном уровне, но у нее есть потенциал революционизировать производство и, что, возможно, более важно, сделать его доступным для обычных потребителей. Однако одно можно сказать наверняка: 3D-печать никуда не денется.

На какие 3D-принтеры стоит обратить внимание для начинающих?

Для получения более подробной информации об отдельных принтерах и о том, как их купить, ознакомьтесь с нашим руководством по 10 лучшим 3D-принтерам и некоторыми мыслями от первых пользователей. Но некоторые быстрые выборы, чтобы проверить.

Читайте также: