Как работает 3D-принтер и для чего он нужен — Журнал «Код»

За последние пару лет появилось много новостей о том, что кто-то что-то распечатал на 3D-принтере:

• слуховой аппарат,
• продукты из молока,
• жилой дом,
• робопалец,
• мозговые импланты,
• статую Давида высотой 1 миллиметр,
• готовые электронные устройства.

Давайте разберёмся, как работает эта технология, какие у неё ограничения и за ней ли будущее.

Для чего нужен 3D-принтер 

3D-принтеры печатают объёмные вещи из пластика или других материалов. Их можно использовать в быту или производстве. Например, вот что можно напечатать на 3D-принтере:

Корпус для батареек.Светодиодную лампу на шарнирах.Лампу в стиле Minecraft.Модель старинного замка.

Как это работает

Обычно для печати 3D-принтер использует специальный пластик. Он бывает в виде порошка, жидкой смолы или пластиковой проволоки в катушках. Именно из этого материала и будет состоять напечатанная деталь.  

Дальше, если говорить грубо, процесс выглядит так:

• этот пластик либо наносят с помощью подвижного сопла;
• либо «запекают» с помощью лазера;
• либо из массива готового материала вырезается лишнее с помощью подвижного резака (но это уже больше похоже на токарное дело и к 3D-печати часто не относят). 

Материал принимает нужную вам форму слой за слоем. Когда все слои пройдены, получается деталь.

Ускоренная съемка 3D-печати с помощью подвижного сопла:

Из-за того что принтеру нужно постоянно нагревать пластик, 3D-принтеры печатают не очень быстро: на деталь размером с телефон может уйти 15–20 минут. Ещё скорость зависит от толщины слоя: чем толще слой, тем быстрее печать. Но при большой толщине слоя деталь может получиться неаккуратной: будут видны слои:

Чем тоньше слой, тем более ровной получается поверхность при печати.

Технологии печати

3D-печать очень нужна в промышленности и промдизайне, поэтому существует целый зоопарк технологий печати, у каждой свои преимущества и недостатки. 

Стереолитография. Вместо пластика здесь используется специальная смола, которая застывает на свету. Деталь тоже формируется слоями, но сами слои почти незаметны — смола заполняет рельеф и деталь кажется единым целым даже с очень близкого расстояния.

Синтез полимеров (SLS). При такой печати используется порошок, который потом запекается лазерным лучом. Так как лазерный луч можно сфокусировать в любом месте с нужной точностью, то таким способом печати можно получить очень сложные модели с высокой детализацией:

Polyjet. Особенность этой технологии в том, что в ней можно печатать объекты одновременно из разных материалов. Это позволяет создавать практически любые вещи самой сложной формы, которые сразу обладают нужными свойствами. На таком принтере можно напечатать даже кроссовки, которые можно носить:

Что можно напечатать

На 3D-принтере можно напечатать всё что угодно, если у вас есть подходящий материал для печати, готовая модель и достаточно большой принтер.

Прототипы. Часто перед началом производства компании нужно понять, насколько удобной получится вещь в использовании. Чтобы не запускать линию ради одного изделия, его печатают на 3D-принтере и смотрят, что нужно изменить или доработать. На таких прототипах можно заметить, например, что кнопки получились слишком маленькими и их будет неудобно нажимать или что кнопки оказались очень далеко от пальцев и до них нужно будет специально тянуться. 

Запчасти и детали. Иногда найти запчасть от какого-то инструмента сложно или почти невозможно: производитель их не выпускает или модель давно снята с производства. В этом случае можно найти в интернете трёхмерную модель нужной детали или нарисовать её самому в редакторе, чтобы потом отправить это на печать. 

Медицина. Трёхмерная печать активно используется в медицине для создания новых суставов, тканей и лечения пациентов. Отличие от традиционной печати в том, что вместо пластика там печатают специальными «живыми» растворами, которые взаимодействуют друг с другом и ведут себя как настоящие органы и ткани.

Благодаря такой технологии сейчас легко напечатать сустав, который хирург может поставить человеку вместо повреждённого.

Хобби и моделирование. На 3D-принтере легко печатать разные миниатюры, коллекционные фигурки и модели.

Производство других роботов. 3D-принтеры пока не умеют производить сервоприводы и микропроцессоры, но уже умеют печатать корпуса и каркасы роботов. 

Дома и здания. Берём здоровенные рельсы с моторами и контроллерами. Устанавливаем подвижное сопло, на которое можно подавать строительную смесь (бетон или полимеры). Можно печатать стены зданий. В отличие от традиционных технологий строительства из кирпича, панелей и блоков, форма стен и здания в целом может быть любой. Фундамент, перекрытия и крыша пока что не печатаются, но это пока.

Представьте: отправляем на Марс полсотни 3D-принтеров на подвижной основе. За год каждый из них печатает ещё по 100 принтеров. Далее все эти 5 000 принтеров разъезжаются по Марсу и начинают строить первую колонию. Пока они строят, мы заказываем в Икее мебель, оформляем доставку, и как раз к моменту доставки наши роботы всё допечатают. Яблони на Марсе вряд ли зацветут, а вот пятиэтажки — могут. 

Критика и проблемы

❌ Медленно и без гарантий: печать довольно медленная, недостаточно точная. Огромная проблема в любительских принтерах — брак. Например, деталь может отклеиться от подложки прямо во время печати, и произойдёт ад. Или моторы раскалибруются, и сопло начнёт промазывать мимо нужных мест.

❌ Низкая эффективность: чтобы напечатать деталь 10 × 10 см, нужен принтер размером как минимум 50 × 50 см, который будет стоить несколько сотен долларов.

❌ Не самые прочные материалы: 3D-печать пока что ограничена пластиками и смолами. Есть отдельные технологии печати на базе металлического порошка, но если вам нужна стальная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нормальный токарь и станок. Но на станке можно сделать не всякую деталь. 

❌ Не всегда понятно зачем. В промышленности 3D-принтеры используют для прототипирования, но в массовом производстве эти технологии не используются. Для домашнего применения тоже неясно: на 3D-принтерах печатают маленькие пластиковые штучки для любительских проектов… и всё. Очень мало случаев, когда обычный человек мог бы захотеть напечатать у себя дома что-то применимое в хозяйстве.

Что дальше

Дальше технология победит все проблемы младенчества и будет печатать вам еду, мебель и внутренние органы. Необязательно при нашей жизни, но наши дети и внуки наверняка застанут.

Текст:

Михаил Полянин

Редактура:

Максим Ильяхов

Художник:

Даня Берковский

Корректор:

Ирина Михеева

Вёрстка:

Мария Дронова

Соцсети:

Олег Вешкурцев

Работа 3d принтера: характеристики, картинки и описание.

Содержание:

1. Как работает 3D-принтер?
2. Что это такое?
3. Как это работает? Общие принципы
4. Как работает 3D-принтер. Видео
5. Какие материалы используются?
6. Какие предметы можно создать?

В результате появления на мировом рынке принтеров, поддерживающих технологию 3D-печати, появилась новая эпоха производства вещей. Трехмерное создание деталей лишь недавно распространилось в быту, поскольку производственные и промышленные предприятия давно пользуются ею. Предлагаем узнать, как работает 3d принтер по пластику, что являет собой это оборудование и какие расходные материалы применяются.

Что это за аппарат?

3D-принтер – это устройство, которое позволяет создавать объемные предметы, созданные по аналогии с виртуальными моделями объектов. По сравнению с обычным принтером, выводящим на бумагу текст, 3D-устройство выводит трехмерную информацию. Другими словами, воспроизводит объект, имеющий реальные физические параметры.

Как это работает? Общие принципы

Работа начинается с проектирования виртуального шаблона благодаря специальной компьютерной программе.

Далее модель обрабатывается программным методом, чтобы разделить ее на слои. Затем выполняются следующие этапы:

• Послойное формирование массы, сформированной с применением композитных порошков.
• Распределение массы по рабочей поверхности по мере заполнения камеры.
• Накладывание клеевой основы после создания каждого слоя.

После можно вытащить из рабочей камеры готовый объект. Важно понимать, что оборудование, используемое для печати, отличается по принципу работы. Сегодня применяются следующие технологии:

• быстрое прототипирование;
• послойное наплавление термопласта;
• лазерная стереолитография;
• лазерное спекание.

Как работает 3D-принтер. Видео

Какие материалы используются?

Выбор в пользу того или иного материала, с помощью которого можно печатать модели, зависит от специфики технологии.

Самые популярные материалы – пластик типа FDM и PLA. Возможно применение поликарбоната, нейлона, полиэтилена и других разновидностей сырья, используемого в промышленности. В некоторых установках допускается смешивание материалов, применение дополнительных веществ, способствующих улучшению качественных характеристик готовой продукции. Качественная пластмасса не просто обеспечивает отличный результат – она гарантирует надежность эксплуатации изделия в целом. Самый экзотический вид материалов – металл. Здесь приходится использовать специальную металлическую пудру. В результате получается не наплавленное, а послойно склеенное изделие.

Какие предметы можно создать?

Домашний 3Д принтер способен без проблем воспроизвести пластиковые детали для использования в бытовой технике. Также технологию высоко оценили работники медицины. С помощью специально адаптированных устройств можно быстрее и дешевле получить один образец органа, чем при использовании альтернативных разновидностей устройств.

Все зависит от сферы применения и типа пластика, используемого при изготовлении.

Хоть и 3D-печать до сих пор считается новой технологией, сегодня ее востребованность остается вне сомнений.

Как работают 3D-принтеры?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 5 февраля 2023 г.

Даже лучшие художники изо всех сил стараются показать нам, что представляют собой объекты реального мира. выглядеть во всей своей трехмерной (3D) красе. Большую часть времени это не имеет значения — просмотр фотографии или эскиза дает нам достаточно хорошая идея. Но если вы занимаетесь разработкой новых продукты, и вам нужно показать их клиентам или покупателям, ничто не сравнится с прототипом: моделью, которую можно потрогать, подержать и чувствовать. Единственная проблема в том, что на изготовление моделей вручную уходит много времени. машины, которые могут делать «быстрые прототипы», стоят целое состояние (до полмиллиона долларов).

[1] Ура, тогда на 3D-принтеры , которые немного работают как струйные принтеры, и создавать 3D-модели слой за слоем до 10 раз скорость и пятая стоимость. [2] Как именно они работают? Давайте поближе!

Фото: 3D-печать в действии: это печатающая головка 3D-принтера Invent, медленно, слой за слоем, выстраивая объект, распыляя расплавленный голубой пластик из точно движущегося сопла. Фото капрала. Джастин Апдеграф, любезно предоставленный Корпусом морской пехоты США.

Содержимое

1. От прототипов ручной работы к быстрому прототипированию
2. Как работает 3D-принтер?
3. В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: АБС-пластик!
4. Преимущества и недостатки
5. приложений
   • Медицина
   • Аэрокосмическая промышленность и оборона
   • Визуализация
   • Индивидуальные продукты
6. Будущее 3D-печати
7. Узнать больше

От прототипов ручной работы к быстрому прототипированию

Прежде чем появились такие вещи, как автоматизированное проектирование (САПР) и лазеры, модели и прототипы были кропотливо вырезаны из дерева или склеенные из маленьких кусочков картона или пластика. Они могли взять дней или даже недель, чтобы сделать и обычно стоит целое состояние. Получающий внесение изменений или изменений было трудным и трудоемким, особенно если использовалась сторонняя модельная компания, и которые могут помешать дизайнерам вносить улучшения или принимать комментарии в последнюю минуту на борту: «Слишком поздно!»

Фото: Качественный быстрый прототип космического самолета, сделанный из воска из чертежа САПР НАСА. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

С появлением более совершенных технологий, идея под названием для быстрого прототипирования (RP) возникла в 1980-х годах. как решение этой проблемы: это означает разработку моделей и прототипы более автоматизированными методами, обычно в течение нескольких часов или дней. чем недели, на которые раньше уходило традиционное прототипирование. [3] 3D-печать — логическое продолжение этой идеи, в которой дизайнеры продуктов делают свои собственные быстрые прототипы, в часы, используя сложные машины аналогично струйным принтерам.

Как работает 3D-принтер?

Фото: Типичный 3D-принтер среднего класса от Stratasys (это uPrint SE Plus). Фото Джона Дж. Мура предоставлено армией США и DVIDS.

Представьте, что вы строите обычный деревянный прототип автомобиля. Вы бы начните с блока твердого дерева и вырежьте внутрь, как скульптор, постепенно раскрывая предмет, «спрятанный» внутри. Или если вы хотели сделать архитектурную модель дома, вы бы построили это как настоящий, сборный дом, наверное, путем вырезания миниатюры копии стен из картона и склеивание их между собой. Теперь лазер может легко вырезать дерево по форме, и это не выходит за рамки сферы возможностей научить робота склеивать картон вместе, но 3D-принтеры не работают ни одним из этих способов!

Типичный 3D-принтер очень похож на струйный принтер, управляемый с компьютера. Он строит 3D-модель по одному слою за раз, начиная с снизу вверх, многократно печатая одну и ту же область методом, известным как моделирование осадконакопления методом плавления (FDM) . Работая полностью автоматически, принтер создает модель в течение нескольких часов, поворачивая 3D-CAD. разбивка на множество двумерных, поперечных слои — эффективно разделяйте 2D-отпечатки, которые расположены один поверх другого. другой, но без бумаги между ними. Вместо того, чтобы использовать чернила, которые никогда не накопится слишком много объем, принтер наносит слои расплавленного пластика или порошка и соединяет их вместе (и с существующей структурой) с помощью клея или ультрафиолетового излучения.

Работа: Один из первых в мире трехмерных FDM-принтеров, разработан С. Скоттом Крампом в 1980-х годах. В этом дизайне напечатана модель (розовая, 40). на базовой пластине (темно-синий, 10), которая перемещается в горизонтальном (X–Y) направлении, а печать головка и сопло (2 и 4, оранжевые) перемещаются в вертикальном (Z) направлении. Сырье для печати поступает из пластикового стержня (желтый, 46), расплавляемого печатающей головкой. Процесс нагрева тщательно регулируется термопара (электрический датчик тепла), подключенная к регулятору температуры (фиолетовый, 86). Стержень выдавливается сжатым воздухом из большого бака и компрессор справа (зеленый, 60/62). С тех пор все немного изменилось, но основной принцип (создание объекта путем плавления и осаждения пластика под трехмерным контролем) остается прежним. Произведение из патента США 5 121 329.: Устройство и метод создания трехмерных объектов С. Скоттом Крампом, Stratasys Ltd, 9 июня 1992 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: Пластик!

В то время как струйный принтер распыляет жидкие чернила, а лазерный принтер использует твердый порошок, 3D-принтер не использует ни того, ни другого: вы не можете создать 3D-модель, набрасывая цветную воду или черную пыль! То, что вы можете моделировать, это пластик.

3D-принтер по существу работает путем выдавливания расплавленного пластика через крошечное сопло, которое перемещается точно под компьютером. контроль. Он печатает один слой, ждет, пока он высохнет, а затем печатает следующий слой поверх. В зависимости от качества принтера вы получаете либо потрясающе выглядящую 3D-модель, либо множество 2D-линий пластика, грубо наложенных друг на друга — как глазурь для торта с плохим контуром! Очевидно, что пластик, из которого печатаются модели, имеет огромное значение.

Фото: 3D-принтер Lulzbot. Вы можете увидеть маленькую катушку из необработанного красного пластика. («нить»), которая подается в печатающую головку сверху. Фото Стефана Белчера предоставлено ВМС США.

Когда мы говорим о пластике, мы обычно имеем в виду «пластик»: если вы прилежный переработчик, вы знаете, что существует много типов пластика, каждый из которых отличается как химически (по своему молекулярному составу), так и физически (по своему молекулярному составу). как они ведут себя по отношению к теплу, свету и так далее). Неудивительно, что 3D-принтеры используют термопласты (пластики, которые плавятся при нагревании и затвердевают при повторном охлаждении), и обычно либо ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), PLA (полимолочная кислота), либо PETG (полиэтиленгерефталатгликоль ).

Возможно, наиболее известный как материал, из которого изготавливаются кубики LEGO®, АБС-пластик также широко используется в салонах автомобилей (иногда и в наружных деталях, таких как колпаки), для изготовления внутренностей холодильников и в пластиковых деталях компьютеров (это довольно скорее всего, мышь и клавиатура, которыми вы сейчас пользуетесь, изготовлены из АБС-пластика). Так почему же этот материал используется для 3D-печати? На самом деле это композит из жесткого пластика (акрилонитрила) с синтетическим каучуком (бутадиен-стирол). Он идеально подходит для 3D-печати, потому что он твердый при комнатной температуре и плавится при температуре немногим более 100°C (220°F), что является достаточно прохладным, чтобы плавиться внутри принтера без перегрева, и достаточно горячим, чтобы модели, напечатанные из него, не выдержали. не тают, если их оставить на солнце. После затвердевания его можно отшлифовать до гладкости или покрасить; Другое полезное свойство АБС заключается в том, что в необработанном виде он имеет беловато-желтый цвет, но можно добавить пигменты (цветные химические вещества в краске), чтобы сделать его практически любым цветом. В зависимости от типа принтера, который вы используете, вы подаете на него пластик либо в виде небольших гранул, либо в виде нитей (например, пластиковых струн).

PLA проще в использовании, чем ABS, и немного более безвреден для окружающей среды, хотя он мягче и менее долговечен. PETG — это промежуточный вариант, он ближе по прочности к ABS, легко формуется и относительно легко перерабатывается.

Вам не обязательно печатать в 3D пластиком: теоретически вы можете печатать объекты, используя любой расплавленный материал, который достаточно быстро затвердевает и затвердевает. В июле 2011 года исследователи из Эксетерский университет Англии представил прототип пищевого принтера, который может печатать 3D-объекты с помощью расплавленного шоколада!

Дополнительная литература

• Полимеры для 3D-печати: методы, свойства и характеристики Джоанны Издебской (ред.). Эльзевир, 2022.

Преимущества и недостатки

Фото: B9Creator™ — типичный бюджетный самодельный 3D-принтер. Первоначально он был доступен в виде комплекта по цене 2495 долларов. Принтеры B9 теперь поставляются в готовом виде по цене от 10 000 до 25 000 долларов. ценовой диапазон. Фото предоставлено Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2012 г. по лицензии Creative Commons.

Производители 3D-принтеров утверждают, что они работают в 10 раз быстрее, чем другими методами и в 5 раз дешевле, поэтому они дают большие преимущества для люди, которым нужны быстрые прототипы в течение нескольких часов, а не дней. Хотя 3D-принтеры высокого класса по-прежнему дороги (обычно около 25 000–50 000 долларов США), они часть стоимости более сложных машин RP (которые входят в по цене от 100 000 до 500 000 долларов), а машины значительно дешевле. также доступны (вы можете купить комплектные принтеры всего за несколько сотен долларов). [4] Они также достаточно малы, безопасны, просты в использовании и надежные (функции, которые сделали их все более популярными в таких местах, как дизайнерские/инженерные школы).

С другой стороны, отделка производимых ими моделей обычно уступает тем, которые производятся на машинах RP более высокого класса. Выбор материалов часто ограничивается одним или двумя, цвета могут быть грубыми, и текстура может не очень хорошо отражать предполагаемую отделку продукта. Как правило, модели, напечатанные на 3D-принтере, может быть лучше для грубых, ранних визуализаций новых продуктов; более сложные машины RP могут использоваться позже в процессе, когда проекты ближе к завершению и такие вещи, как точная поверхность текстура важнее.

Фото: высокопроизводительный жидкометаллический 3D-принтер Xerox ElemX, разработанный для печати новых или замены металлических компонентов с использованием алюминиевого сплава. Фото Ленни Уэстона предоставлено ВМС США и DVIDS.

Приложения

Для чего можно использовать 3D-принтер? Это немного похоже на вопрос «Как сколько способов вы можете использовать фотокопировальный аппарат?» Теоретически единственным ограничением является ваше воображение. На практике пределом является точность модель, с которой вы печатаете, точность вашего принтера и материалы, которыми вы печатаете. Современная 3D-печать была изобретена более 30 лет назад. но по-настоящему он начал набирать обороты только в последние пару десятилетий. [5] Большая часть технологий все еще относительно нова; даже в этом случае область применения 3D-печати довольно удивительно.

Медицина

Фото: Пластиковые сердца, напечатанные на 3D-принтере, позволяют хирургам проводить операции без риска. Модель доктора Мэтью Брамлета. Фотография, являющаяся общественным достоянием, опубликована на Flickr с разрешения US NIH Image Gallery и 3D Print Exchange.

Жизнь — это путешествие в один конец; подверженные ошибкам, стареющие люди со складками, рушащиеся тела, естественно, видят большие перспективы в технологии, которая возможность создания замещающих частей тела и тканей. Вот почему врачи были одними из первых, кто начал изучать 3D-печать. У нас уже есть видел напечатанные на 3D-принтере уши (от индийской компании Novabeans), руки и ноги (от Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group и Bespoke) и мышцы (из Корнельского университета). 3D принтеры есть также использовался для производства искусственных тканей (Organovo), клеток (Samsara Sciences) и кожи (в партнерстве косметических гигантские L’Oreal и Organovo). Хотя мы далеки от того, чтобы иметь полные 3D-печатные замещающие органы (такие как сердце и печень), дело быстро движется в этом направлении. Один проект, известный как тело на чипе, находится в ведении Института регенеративной медицины Уэйк Форест в Северной Каролине. печатает миниатюрные человеческие сердца, легкие и кровеносные сосуды, помещает их на микрочип и проверяет с помощью своего рода искусственной крови.

Помимо замены частей тела, 3D-печать все чаще используется для медицинского образования и обучения. В детском саду Никлауса Больница в Майами, Флорида, хирурги практикуют операции на Реплики детских сердец, напечатанные на 3D-принтере. В другом месте то же самое техника используется для репетиций операций на головном мозге.

Авиакосмическая и оборонная промышленность

Проектирование и испытания самолетов — дело сложное и дорогое: Боинг Внутри Dreamliner находится около 2,3 миллиона компонентов! Хотя компьютерные модели могут быть использованы для проверки довольно многих аспектов того, как самолеты поведение, точные прототипы все еще должны быть сделаны для таких вещей, как испытания в аэродинамической трубе. А 3D-печать — это простой и эффективный способ сделай это. В то время как коммерческие самолеты строятся в больших количествах, военные самолеты, скорее всего, будут сильно настроены, а 3D-печать позволяет проектировать, тестировать и производить малосерийные или единичные детали как быстро и рентабельно.

Фото: ВМС США тестируют 3D-принтеры на кораблях с один был установлен на USS Essex в 2014 году. Теоретически бортовой принтер делает корабль более самостоятельным, с меньшей потребностью носить с собой запасные части и материалы, особенно в военное время. Это напечатанное на 3D-принтере подводное беспроводное зарядное устройство. типичные объекты, которые могут быть напечатаны во время миссии в море. Фото Девина Писнера предоставлено ВМС США.

Космические корабли еще сложнее самолетов и имеют дополнительные недостаток в том, что они «изготавливаются» в крошечных количество — иногда только один когда-либо сделан. Вместо того, чтобы идти на все расходы изготовления уникальных инструментов и производственного оборудования, он может сделать многое больше смысла в 3D-печати одноразовых компонентов. Но зачем даже делать космические части на Земле? Доставка сложных и тяжелых конструкций в пространство сложно, дорого и требует много времени; способность к производить вещи на Луне или на других планетах, может оказаться бесценный. Легко представить космонавтов (или даже роботов), использующих 3D. принтеры для производства любых предметов, которые им нужны (включая запасные части), вдали от Земли, всякий раз, когда они им нужны. Но даже обычные космические проекты, созданные на Земле, могут извлечь выгоду из скорость, простота и низкая стоимость 3D-печати. Последний, поддерживающий человека NASA Rover использует детали, напечатанные на 3D-принтере с помощью Stratasys.

Фото: Запчасти и ремонт не проблема. Крупный план 3D-принтера Lulzbot Taz 6, используемого для изготовления запасных частей на борту военного корабля США. Фото Кристофера А. Велоиказа предоставлено ВМС США и DVIDS.

Визуализация

Создание прототипов самолетов или космических ракет является примером гораздо более широкое использование 3D-печати: визуализация того, как новые проекты будут смотреть в трех измерениях. Мы можем использовать такие вещи, как виртуальная реальность для это, конечно, но люди часто предпочитают то, что они могут видеть и трогать. 3D-принтеры все чаще используются для быстрого и точного архитектурное моделирование. Хотя мы не можем (пока) 3D печатать материалы таких как кирпич и бетон, существует широкий спектр пластиков доступны, и их можно покрасить, чтобы они выглядели как реалистичное здание заканчивается. Точно так же 3D-печать сейчас широко используется для прототипирование и тестирование промышленных и потребительских товаров. Так как многие повседневные вещи лепятся из пластика, 3D-печатная модель может выглядеть очень похоже на готовый продукт — идеально подходит для фокус-группы тестирование или исследование рынка.

Индивидуальные продукты

От пластиковых зубных щеток до оберток от конфет — современная жизнь здесь-сегодня, уехало-завтра — удобно, недорого и одноразово. Однако не все ценят готовое массовое производство. именно поэтому так популярны дорогие «дизайнерские лейблы». в будущем, многие из нас смогут пользоваться преимуществами доступные, высоко персонализированные продукты, изготовленные на заказ в соответствии с нашими точными требованиями. Спецификация. Ювелирные изделия и модные аксессуары уже в 3D-печати. Так же, как веб-сайт Etsy создал всемирное сообщество ремесленников, несколько лет назад стартап под названием Заззи попытался повторить что с использованием технологии 3D-печати. Благодаря простым онлайн-сервисам, таким как Shapeways, каждый может сделать свои собственные безделушки на 3D-принтере, либо для себя, либо для продавать другим людям без затрат и хлопот, связанных с использованием собственного 3D-принтера (даже Staples теперь предлагает услуги 3D-печати в некоторых своих магазинах).

«Индивидуальные продукты» — это не просто вещи, которые мы покупаем и используем: пища, которую мы едим, тоже может попасть в эту категорию. Готовка требует времени, умения и терпения, ведь приготовление аппетитного Еда выходит далеко за рамки смешивания ингредиентов и нагревания их на плите. Поскольку большую часть пищи можно экструдировать (выдавливать через сопла), ее можно (теоретически) также могут быть напечатаны в 3D. Несколько лет назад, Зло Безумный Ученые Лаборатории игриво напечатали странные объекты из сахар. В 2013 году Нью-Йорк Таймс обозреватель А.Дж. Джейкобс поставил перед собой задачу распечатайте всю еду, включая тарелку и столовые приборы. в В процессе он случайно наткнулся на работу Хода Липсона из Корнельского университета, кто верит, что когда-нибудь еда может быть напечатана на 3D-принтере лично, чтобы соответствовать точные потребности вашего тела в питании. Что плавно переносит нас в будущее…

Фото: Теоретически вы можете делать 3D-принтеры из любого исходного материала, который вы можете использовать. ваш принтер. Вот несколько фантастических 3D-объектов, напечатанных сахарным песком. «CandyFab 4000» (взломанный старый плоттер HP) всегда интересным народом в Evil Mad Scientist Laboratories. Фото предоставлено Уинделлом Х. Оскеем, www. evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2007 г. по лицензии Creative Commons.

Будущее 3D-печати

Многие люди считают, что 3D-печать станет не просто приливной волной дерзких пластиковых уловок, но революция в обрабатывающей промышленности и мировая экономика, которой она управляет. Хотя 3D-печать будет безусловно, позволяют нам делать наши собственные вещи, есть ограничение того, что вы можете сделать самостоятельно с дешевым принтером и трубка из пластика. Реальные экономические выгоды, скорее всего, появятся, когда 3D-печать повсеместно применяется крупными компаниями в качестве основного опора обрабатывающей промышленности. Во-первых, это позволит производители предлагают гораздо больше возможностей для настройки существующих продуктов, поэтому доступность готового массового производства будет в сочетании с привлекательностью уникального, сделанного на заказ ремесленного ремесла. Во-вторых, 3D-печать — это, по сути, роботизированная технология, поэтому она снизить себестоимость производства до такой степени, что однажды опять же, быть рентабельным для производства товаров в Северной Америке и Европа, которую в настоящее время дешево собирают (плохо оплачиваемые люди) в таких местах, как Китай и Индия. Наконец, 3D-печать повысит производительность (поскольку для изготовления одних и тех же вещей потребуется меньше людей), снижение себестоимости продукции в целом, что должно привести к снижению цен и больший спрос — и это всегда хорошо, для потребителей, для производителей и экономики.

Фото: два вида печатающей головки (иногда называемой «инструментальной головкой») 3D-принтера. Фото Эшли Маклафлин любезно предоставлено Корпус морской пехоты США.

Как работают 3D-принтеры?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 5 февраля 2023 г.

Даже лучшие художники изо всех сил стараются показать нам, что представляют собой объекты реального мира. выглядеть во всей своей трехмерной (3D) красе. Большую часть времени это не имеет значения — просмотр фотографии или эскиза дает нам достаточно хорошая идея. Но если вы занимаетесь разработкой новых продукты, и вам нужно показать их клиентам или покупателям, ничто не сравнится с прототипом: моделью, которую можно потрогать, подержать и чувствовать. Единственная проблема в том, что на изготовление моделей вручную уходит много времени. машины, которые могут делать «быстрые прототипы», стоят целое состояние (до полмиллиона долларов). [1] Ура, тогда на 3D-принтеры , которые немного работают как струйные принтеры, и создавать 3D-модели слой за слоем до 10 раз скорость и пятая стоимость. [2] Как именно они работают? Давайте поближе!

Фото: 3D-печать в действии: это печатающая головка 3D-принтера Invent, медленно, слой за слоем, выстраивая объект, распыляя расплавленный голубой пластик из точно движущегося сопла. Фото капрала. Джастин Апдеграф, любезно предоставленный Корпусом морской пехоты США.

Содержимое

1. От прототипов ручной работы к быстрому прототипированию
2. Как работает 3D-принтер?
3. В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: АБС-пластик!
4. Преимущества и недостатки
5. приложений
   • Медицина
   • Аэрокосмическая промышленность и оборона
   • Визуализация
   • Индивидуальные продукты
6. Будущее 3D-печати
7. Узнать больше

От прототипов ручной работы к быстрому прототипированию

Прежде чем появились такие вещи, как автоматизированное проектирование (САПР) и лазеры, модели и прототипы были кропотливо вырезаны из дерева или склеенные из маленьких кусочков картона или пластика. Они могли взять дней или даже недель, чтобы сделать и обычно стоит целое состояние. Получающий внесение изменений или изменений было трудным и трудоемким, особенно если использовалась сторонняя модельная компания, и которые могут помешать дизайнерам вносить улучшения или принимать комментарии в последнюю минуту на борту: «Слишком поздно!»

Фото: Качественный быстрый прототип космического самолета, сделанный из воска из чертежа САПР НАСА. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

С появлением более совершенных технологий, идея под названием для быстрого прототипирования (RP) возникла в 1980-х годах. как решение этой проблемы: это означает разработку моделей и прототипы более автоматизированными методами, обычно в течение нескольких часов или дней. чем недели, на которые раньше уходило традиционное прототипирование. [3] 3D-печать — логическое продолжение этой идеи, в которой дизайнеры продуктов делают свои собственные быстрые прототипы, в часы, используя сложные машины аналогично струйным принтерам.

Как работает 3D-принтер?

Фото: Типичный 3D-принтер среднего класса от Stratasys (это uPrint SE Plus). Фото Джона Дж. Мура предоставлено армией США и DVIDS.

Представьте, что вы строите обычный деревянный прототип автомобиля. Вы бы начните с блока твердого дерева и вырежьте внутрь, как скульптор, постепенно раскрывая предмет, «спрятанный» внутри. Или если вы хотели сделать архитектурную модель дома, вы бы построили это как настоящий, сборный дом, наверное, путем вырезания миниатюры копии стен из картона и склеивание их между собой. Теперь лазер может легко вырезать дерево по форме, и это не выходит за рамки сферы возможностей научить робота склеивать картон вместе, но 3D-принтеры не работают ни одним из этих способов!

Типичный 3D-принтер очень похож на струйный принтер, управляемый с компьютера. Он строит 3D-модель по одному слою за раз, начиная с снизу вверх, многократно печатая одну и ту же область методом, известным как моделирование осадконакопления методом плавления (FDM) . Работая полностью автоматически, принтер создает модель в течение нескольких часов, поворачивая 3D-CAD. разбивка на множество двумерных, поперечных слои — эффективно разделяйте 2D-отпечатки, которые расположены один поверх другого. другой, но без бумаги между ними. Вместо того, чтобы использовать чернила, которые никогда не накопится слишком много объем, принтер наносит слои расплавленного пластика или порошка и соединяет их вместе (и с существующей структурой) с помощью клея или ультрафиолетового излучения.

Работа: Один из первых в мире трехмерных FDM-принтеров, разработан С. Скоттом Крампом в 1980-х годах. В этом дизайне напечатана модель (розовая, 40). на базовой пластине (темно-синий, 10), которая перемещается в горизонтальном (X–Y) направлении, а печать головка и сопло (2 и 4, оранжевые) перемещаются в вертикальном (Z) направлении. Сырье для печати поступает из пластикового стержня (желтый, 46), расплавляемого печатающей головкой. Процесс нагрева тщательно регулируется термопара (электрический датчик тепла), подключенная к регулятору температуры (фиолетовый, 86). Стержень выдавливается сжатым воздухом из большого бака и компрессор справа (зеленый, 60/62). С тех пор все немного изменилось, но основной принцип (создание объекта путем плавления и осаждения пластика под трехмерным контролем) остается прежним. Произведение из патента США 5 121 329.: Устройство и метод создания трехмерных объектов С. Скоттом Крампом, Stratasys Ltd, 9 июня 1992 г., любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

В: Какие «чернила» используются в 3D-принтере? О: Пластик!

В то время как струйный принтер распыляет жидкие чернила, а лазерный принтер использует твердый порошок, 3D-принтер не использует ни того, ни другого: вы не можете создать 3D-модель, набрасывая цветную воду или черную пыль! То, что вы можете моделировать, это пластик.

3D-принтер по существу работает путем выдавливания расплавленного пластика через крошечное сопло, которое перемещается точно под компьютером. контроль. Он печатает один слой, ждет, пока он высохнет, а затем печатает следующий слой поверх. В зависимости от качества принтера вы получаете либо потрясающе выглядящую 3D-модель, либо множество 2D-линий пластика, грубо наложенных друг на друга — как глазурь для торта с плохим контуром! Очевидно, что пластик, из которого печатаются модели, имеет огромное значение.

Фото: 3D-принтер Lulzbot. Вы можете увидеть маленькую катушку из необработанного красного пластика. («нить»), которая подается в печатающую головку сверху. Фото Стефана Белчера предоставлено ВМС США.

Когда мы говорим о пластике, мы обычно имеем в виду «пластик»: если вы прилежный переработчик, вы знаете, что существует много типов пластика, каждый из которых отличается как химически (по своему молекулярному составу), так и физически (по своему молекулярному составу). как они ведут себя по отношению к теплу, свету и так далее). Неудивительно, что 3D-принтеры используют термопласты (пластики, которые плавятся при нагревании и затвердевают при повторном охлаждении), и обычно либо ABS (акрилонитрилбутадиенстирол), PLA (полимолочная кислота), либо PETG (полиэтиленгерефталатгликоль ).

Возможно, наиболее известный как материал, из которого изготавливаются кубики LEGO®, АБС-пластик также широко используется в салонах автомобилей (иногда и в наружных деталях, таких как колпаки), для изготовления внутренностей холодильников и в пластиковых деталях компьютеров (это довольно скорее всего, мышь и клавиатура, которыми вы сейчас пользуетесь, изготовлены из АБС-пластика). Так почему же этот материал используется для 3D-печати? На самом деле это композит из жесткого пластика (акрилонитрила) с синтетическим каучуком (бутадиен-стирол). Он идеально подходит для 3D-печати, потому что он твердый при комнатной температуре и плавится при температуре немногим более 100°C (220°F), что является достаточно прохладным, чтобы плавиться внутри принтера без перегрева, и достаточно горячим, чтобы модели, напечатанные из него, не выдержали. не тают, если их оставить на солнце. После затвердевания его можно отшлифовать до гладкости или покрасить; Другое полезное свойство АБС заключается в том, что в необработанном виде он имеет беловато-желтый цвет, но можно добавить пигменты (цветные химические вещества в краске), чтобы сделать его практически любым цветом. В зависимости от типа принтера, который вы используете, вы подаете на него пластик либо в виде небольших гранул, либо в виде нитей (например, пластиковых струн).

PLA проще в использовании, чем ABS, и немного более безвреден для окружающей среды, хотя он мягче и менее долговечен. PETG — это промежуточный вариант, он ближе по прочности к ABS, легко формуется и относительно легко перерабатывается.

Вам не обязательно печатать в 3D пластиком: теоретически вы можете печатать объекты, используя любой расплавленный материал, который достаточно быстро затвердевает и затвердевает. В июле 2011 года исследователи из Эксетерский университет Англии представил прототип пищевого принтера, который может печатать 3D-объекты с помощью расплавленного шоколада!

Дополнительная литература

• Полимеры для 3D-печати: методы, свойства и характеристики Джоанны Издебской (ред.). Эльзевир, 2022.

Преимущества и недостатки

Фото: B9Creator™ — типичный бюджетный самодельный 3D-принтер. Первоначально он был доступен в виде комплекта по цене 2495 долларов. Принтеры B9 теперь поставляются в готовом виде по цене от 10 000 до 25 000 долларов. ценовой диапазон. Фото предоставлено Windell H. Oskay, www.evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2012 г. по лицензии Creative Commons.

Производители 3D-принтеров утверждают, что они работают в 10 раз быстрее, чем другими методами и в 5 раз дешевле, поэтому они дают большие преимущества для люди, которым нужны быстрые прототипы в течение нескольких часов, а не дней. Хотя 3D-принтеры высокого класса по-прежнему дороги (обычно около 25 000–50 000 долларов США), они часть стоимости более сложных машин RP (которые входят в по цене от 100 000 до 500 000 долларов), а машины значительно дешевле. также доступны (вы можете купить комплектные принтеры всего за несколько сотен долларов). [4] Они также достаточно малы, безопасны, просты в использовании и надежные (функции, которые сделали их все более популярными в таких местах, как дизайнерские/инженерные школы).

С другой стороны, отделка производимых ими моделей обычно уступает тем, которые производятся на машинах RP более высокого класса. Выбор материалов часто ограничивается одним или двумя, цвета могут быть грубыми, и текстура может не очень хорошо отражать предполагаемую отделку продукта. Как правило, модели, напечатанные на 3D-принтере, может быть лучше для грубых, ранних визуализаций новых продуктов; более сложные машины RP могут использоваться позже в процессе, когда проекты ближе к завершению и такие вещи, как точная поверхность текстура важнее.

Фото: высокопроизводительный жидкометаллический 3D-принтер Xerox ElemX, разработанный для печати новых или замены металлических компонентов с использованием алюминиевого сплава. Фото Ленни Уэстона предоставлено ВМС США и DVIDS.

Приложения

Для чего можно использовать 3D-принтер? Это немного похоже на вопрос «Как сколько способов вы можете использовать фотокопировальный аппарат?» Теоретически единственным ограничением является ваше воображение. На практике пределом является точность модель, с которой вы печатаете, точность вашего принтера и материалы, которыми вы печатаете. Современная 3D-печать была изобретена более 30 лет назад. но по-настоящему он начал набирать обороты только в последние пару десятилетий. [5] Большая часть технологий все еще относительно нова; даже в этом случае область применения 3D-печати довольно удивительно.

Медицина

Фото: Пластиковые сердца, напечатанные на 3D-принтере, позволяют хирургам проводить операции без риска. Модель доктора Мэтью Брамлета. Фотография, являющаяся общественным достоянием, опубликована на Flickr с разрешения US NIH Image Gallery и 3D Print Exchange.

Жизнь — это путешествие в один конец; подверженные ошибкам, стареющие люди со складками, рушащиеся тела, естественно, видят большие перспективы в технологии, которая возможность создания замещающих частей тела и тканей. Вот почему врачи были одними из первых, кто начал изучать 3D-печать. У нас уже есть видел напечатанные на 3D-принтере уши (от индийской компании Novabeans), руки и ноги (от Limbitless Solutions, Biomechanical Robotics Group и Bespoke) и мышцы (из Корнельского университета). 3D принтеры есть также использовался для производства искусственных тканей (Organovo), клеток (Samsara Sciences) и кожи (в партнерстве косметических гигантские L’Oreal и Organovo). Хотя мы далеки от того, чтобы иметь полные 3D-печатные замещающие органы (такие как сердце и печень), дело быстро движется в этом направлении. Один проект, известный как тело на чипе, находится в ведении Института регенеративной медицины Уэйк Форест в Северной Каролине. печатает миниатюрные человеческие сердца, легкие и кровеносные сосуды, помещает их на микрочип и проверяет с помощью своего рода искусственной крови.

Помимо замены частей тела, 3D-печать все чаще используется для медицинского образования и обучения. В детском саду Никлауса Больница в Майами, Флорида, хирурги практикуют операции на Реплики детских сердец, напечатанные на 3D-принтере. В другом месте то же самое техника используется для репетиций операций на головном мозге.

Авиакосмическая и оборонная промышленность

Проектирование и испытания самолетов — дело сложное и дорогое: Боинг Внутри Dreamliner находится около 2,3 миллиона компонентов! Хотя компьютерные модели могут быть использованы для проверки довольно многих аспектов того, как самолеты поведение, точные прототипы все еще должны быть сделаны для таких вещей, как испытания в аэродинамической трубе. А 3D-печать — это простой и эффективный способ сделай это. В то время как коммерческие самолеты строятся в больших количествах, военные самолеты, скорее всего, будут сильно настроены, а 3D-печать позволяет проектировать, тестировать и производить малосерийные или единичные детали как быстро и рентабельно.

Фото: ВМС США тестируют 3D-принтеры на кораблях с один был установлен на USS Essex в 2014 году. Теоретически бортовой принтер делает корабль более самостоятельным, с меньшей потребностью носить с собой запасные части и материалы, особенно в военное время. Это напечатанное на 3D-принтере подводное беспроводное зарядное устройство. типичные объекты, которые могут быть напечатаны во время миссии в море. Фото Девина Писнера предоставлено ВМС США.

Космические корабли еще сложнее самолетов и имеют дополнительные недостаток в том, что они «изготавливаются» в крошечных количество — иногда только один когда-либо сделан. Вместо того, чтобы идти на все расходы изготовления уникальных инструментов и производственного оборудования, он может сделать многое больше смысла в 3D-печати одноразовых компонентов. Но зачем даже делать космические части на Земле? Доставка сложных и тяжелых конструкций в пространство сложно, дорого и требует много времени; способность к производить вещи на Луне или на других планетах, может оказаться бесценный. Легко представить космонавтов (или даже роботов), использующих 3D. принтеры для производства любых предметов, которые им нужны (включая запасные части), вдали от Земли, всякий раз, когда они им нужны. Но даже обычные космические проекты, созданные на Земле, могут извлечь выгоду из скорость, простота и низкая стоимость 3D-печати. Последний, поддерживающий человека NASA Rover использует детали, напечатанные на 3D-принтере с помощью Stratasys.

Фото: Запчасти и ремонт не проблема. Крупный план 3D-принтера Lulzbot Taz 6, используемого для изготовления запасных частей на борту военного корабля США. Фото Кристофера А. Велоиказа предоставлено ВМС США и DVIDS.

Визуализация

Создание прототипов самолетов или космических ракет является примером гораздо более широкое использование 3D-печати: визуализация того, как новые проекты будут смотреть в трех измерениях. Мы можем использовать такие вещи, как виртуальная реальность для это, конечно, но люди часто предпочитают то, что они могут видеть и трогать. 3D-принтеры все чаще используются для быстрого и точного архитектурное моделирование. Хотя мы не можем (пока) 3D печатать материалы таких как кирпич и бетон, существует широкий спектр пластиков доступны, и их можно покрасить, чтобы они выглядели как реалистичное здание заканчивается. Точно так же 3D-печать сейчас широко используется для прототипирование и тестирование промышленных и потребительских товаров. Так как многие повседневные вещи лепятся из пластика, 3D-печатная модель может выглядеть очень похоже на готовый продукт — идеально подходит для фокус-группы тестирование или исследование рынка.

Индивидуальные продукты

От пластиковых зубных щеток до оберток от конфет — современная жизнь здесь-сегодня, уехало-завтра — удобно, недорого и одноразово. Однако не все ценят готовое массовое производство. именно поэтому так популярны дорогие «дизайнерские лейблы». в будущем, многие из нас смогут пользоваться преимуществами доступные, высоко персонализированные продукты, изготовленные на заказ в соответствии с нашими точными требованиями. Спецификация. Ювелирные изделия и модные аксессуары уже в 3D-печати. Так же, как веб-сайт Etsy создал всемирное сообщество ремесленников, несколько лет назад стартап под названием Заззи попытался повторить что с использованием технологии 3D-печати. Благодаря простым онлайн-сервисам, таким как Shapeways, каждый может сделать свои собственные безделушки на 3D-принтере, либо для себя, либо для продавать другим людям без затрат и хлопот, связанных с использованием собственного 3D-принтера (даже Staples теперь предлагает услуги 3D-печати в некоторых своих магазинах).

«Индивидуальные продукты» — это не просто вещи, которые мы покупаем и используем: пища, которую мы едим, тоже может попасть в эту категорию. Готовка требует времени, умения и терпения, ведь приготовление аппетитного Еда выходит далеко за рамки смешивания ингредиентов и нагревания их на плите. Поскольку большую часть пищи можно экструдировать (выдавливать через сопла), ее можно (теоретически) также могут быть напечатаны в 3D. Несколько лет назад, Зло Безумный Ученые Лаборатории игриво напечатали странные объекты из сахар. В 2013 году Нью-Йорк Таймс обозреватель А.Дж. Джейкобс поставил перед собой задачу распечатайте всю еду, включая тарелку и столовые приборы. в В процессе он случайно наткнулся на работу Хода Липсона из Корнельского университета, кто верит, что когда-нибудь еда может быть напечатана на 3D-принтере лично, чтобы соответствовать точные потребности вашего тела в питании. Что плавно переносит нас в будущее…

Фото: Теоретически вы можете делать 3D-принтеры из любого исходного материала, который вы можете использовать. ваш принтер. Вот несколько фантастических 3D-объектов, напечатанных сахарным песком. «CandyFab 4000» (взломанный старый плоттер HP) всегда интересным народом в Evil Mad Scientist Laboratories. Фото предоставлено Уинделлом Х. Оскеем, www. evilmadscientist.com, опубликовано на Flickr в 2007 г. по лицензии Creative Commons.

Будущее 3D-печати

Многие люди считают, что 3D-печать станет не просто приливной волной дерзких пластиковых уловок, но революция в обрабатывающей промышленности и мировая экономика, которой она управляет. Хотя 3D-печать будет безусловно, позволяют нам делать наши собственные вещи, есть ограничение того, что вы можете сделать самостоятельно с дешевым принтером и трубка из пластика. Реальные экономические выгоды, скорее всего, появятся, когда 3D-печать повсеместно применяется крупными компаниями в качестве основного опора обрабатывающей промышленности. Во-первых, это позволит производители предлагают гораздо больше возможностей для настройки существующих продуктов, поэтому доступность готового массового производства будет в сочетании с привлекательностью уникального, сделанного на заказ ремесленного ремесла. Во-вторых, 3D-печать — это, по сути, роботизированная технология, поэтому она снизить себестоимость производства до такой степени, что однажды опять же, быть рентабельным для производства товаров в Северной Америке и Европа, которую в настоящее время дешево собирают (плохо оплачиваемые люди) в таких местах, как Китай и Индия.