Kas ir 3D drukāšanas tehnoloģija - kā tā darbojas, lietojumprogrammas un šķēršļi

Šie revolucionārie printeri ir arvien vairāk redzami mūsu ikdienas dzīvē:

• Pistoles. 2013. gadā pašdeklarēts “kriptoanarālists” Kodijs Vilsons izstrādāja, izveidoja un iespieda plastmasas pistoli, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju. Kodijs izšāva šāvienu un internetā izplatīja ieroča CAD failus. Pirms ASV valdība vietni slēdza, tika veikti vairāk nekā 100 000 lejupielāžu. 2014. gada maijā Jašitomo Imura Japānā tika arestēts par piecu 3D drukātu ieroču glabāšanu.
• Kosmētika. TechCrunch izstādē Ņujorkā 2014. gada maijā Hārvarda MBA absolvente Grace Choi demonstrēja Minku, 3D printeri, kura izmaksas bija mazākas par 200 USD un kas apvieno FDA apstiprinātu tinti ar dažādiem substrātiem, lai izveidotu jebkāda veida aplauzumus, sākot ar pulveriem, krēms, lūpu krāsa. Saskaņā ar Choi teikto, “lielie aplauzuma uzņēmumi ņem pigmentu un substrātus, sajauc tos kopā un pēc tam paaugstina cenu. Mēs rīkojamies tāpat un ļaujam jums iegūt aplauzumu tieši jūsu mājā. ”
• Ķermeņa daļas. Saskaņā ar žurnāla TIME 2013. gada ziņojumu 3D printeri jau no ķermeņa šūnām izdala ķermeņa daļas, piemēram, ausis un degunu. Kaut arī agrīnā stadijā šī tehnoloģija ir daudzsološa kosmētikas un plastiskās ķirurģijas jomā.
• Ēdiens. Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts ir izstrādājis 3D printeri pārtikai ar nosaukumu “Kukurūzija”, un Francijas Kulinārijas institūts izmantoja Kornela izstrādāto FabatHome ēdienu gatavošanai. Varbūt “Star Trek” attēlotie kosmosa vecuma pārtikas replikatori nav tik tālu nākotnē, kā mēs varētu domāt.
• Kriminālistika un arheoloģija. Televīzijas šovā “CSI: New York” 3D izdruka tiek izmantota, lai replicētu lodi ķermenī, lai izvairītos no operācijas. Arheologi var replicēt trauslos artefaktus, nesabojājot oriģinālos nenovērtējamos objektus. Piemēram, izstādes Discovery Time Square King Tut ekspozīcijas apmeklētāji varēja redzēt gandrīz identisku 3D izdrukātu mūmijas kopiju, ko izveidoja uzņēmums Materialize..

Mikelandželo reiz skaidroja, ka katram akmens blokam ir statuja, un to atklāt ir skulptūras uzdevums. Kad mākslinieks saprot trīsdimensiju attēlu, kuru viņš meklē, viņa uzdevums ir uzmanīgi atšķetināt svešos materiālus, lai atklātu slēpto struktūru. Ja Mikelandželo būtu varējis izmantot 3D printeri, viņa radošais process būtu bijis tieši pretējs: sākot ar neko un pakāpeniski veidojot savu mentālo tēlu, pievienojot vielu, līdz viņa veidotā forma bija pilnīga.

Kā darbojas 3D drukāšana

Termins “3D drukāšana” ir nepareizs nosaukums, jo ir maz līdzības ar divdimensiju drukāšanu, kad papīram tiek uzlikta tinte. Tomēr process ir līdzīgs drukāšanai, jo rezultāts ir dažādu materiālu slāņu uzkrāšanās, kas secīgi izvietoti dažādās formās, lai izveidotu stabilu trīsdimensiju objektu. Precīzāks apraksts būtu “piedevu ražošana”, atšķirīga radīšanas metode nekā tradicionālā ražošana, kuras pamatā ir cieta materiāla noņemšana no lielākas neformētas masas.

Process sākas ar datorizētu projektēšanu (CAD) vai 3D skeneri, lai modeli pārveidotu digitālos trīsdimensiju mērījumos. Izmantojot izvēlēto materiālu (šķidrumu, pulveri, papīru vai lokšņu materiālu), tiek ievietoti vairāki plāni slāņi un sakausēti, tos karsējot, sacietējot, centrējot, laminējot vai fotopolimerizējot, lai izveidotu vienotu priekšmetu.

3D drukāšanas tehnoloģija ir attīstījusies pēdējā trešajā gadsimtā; 2014. gada Patent Insight Pro ziņojumā uzskaitīti aptuveni 2635 patenti, kas saistīti ar 3D drukāšanas tehnoloģiju un kuri ir izdoti kopš 70. gadu sākuma. Lai gan katrs patents var būt specifisks attiecībā uz tā pretenzijām un pamatojumu patenta izsniegšanai, tos parasti var klasificēt, pamatojoties uz sekojošo:

• Identificēts tehnoloģiju process. Pašlaik 3D drukāšanā tiek izmantoti 33 dažādi procesi, sākot ar kausētu nogulsnēšanas modelēšanu (FDM) - procesu, kurā uzkarsē termoplastiskos materiālus līdz pusšķidrajiem stāvokļiem, pēc tam to ekstrudējot pa slāņiem pa datorvadāmu ceļu līdz stereolitogrāfijai, process, kurā ultravioletais lāzers sacietē šķidra fotopolimēra slāni, kad to paceļ vai nolaiž ar platformu, kas iegremdēta šķidrā polimēra tvertnē, līdzīgi kā uzklājot pārklājumu pēc krāsas slāņa, līdz vairāku slāņu rezultātā tiek iegūta gatava daļa.
• Materiāli, kas norādīti patentā. Līdz šim izsniegtie patenti attiecas uz 45 dažādiem materiāliem, ieskaitot keramiku, mālu, pallādiju, papīru, gumiju, sudrabu, titānu un vasku.
• Lietošana vai aplikācija. Visbeidzot, bija vismaz 22 3D drukas komerciālie lietojumi, ieskaitot celtniecības, aizsardzības un pārtikas rūpniecību.

3D drukas nozares stāvoklis

Daudzi nozares novērotāji apgalvo, ka līdz šim nav iespiedušies masu tirgos, pateicoties dažādu uzņēmumu plašajiem patentiem un intelektuālā īpašuma tiesas procesu iespējamībai. Vienkārši izsakoties, uzņēmumi nav iztērējuši resursus tehnoloģijas izmantošanai, jo baidās, ka viņus iesūdzēs tiesā.

Šis konkurences šķērslis ir liedzis jaunpienācējiem atrasties ārpus tirgus, un cenas ir augstas; pārāk augsts, lai atbalstītu masu tirgus patērētāju lietojumprogrammas. Tā kā daudzu pamattehnoloģiju patentu derīguma termiņš ir beidzies 2013. gadā un vēl vairāk, tas zaudē spēku 2014. un 2015. gadā, iespējams, notiks jaunu produktu eksplozija un aprīkojuma cenu samazinājums, līdzīgi kā citas elektroniskās aparatūras, piemēram, televizoru, datoru, kritums. un mobilie tālruņi. Zemākas cenas pirmo reizi nodrošinās plašu piekļuvi patērētājiem.

Pēc Pete Basiliere, 3D drukāšanas galvenā Gartner analītiķa teiktā, pārliecinoša patērētāju lietojumprogramma - kaut ko tādu, ko mājās var radīt tikai 3D printeris - parādīsies līdz 2016. gadam, un tai būs līdzīga ietekme uz 3D printeriem kā datora izklājlapai vai kameras pievienošana mobilajam tālrunim. Gridlogics Technologies ziņojums paredz, ka šī tehnoloģija kļūs par masu tirgus preci, jo tā ļaus patērētājiem aizstāt vai izveidot kopīgus sadzīves objektus, kas tagad tiek ražoti ar tradicionālām ražošanas metodēm, un iekļauj saistītās mārketinga, loģistikas un krājumu uzturēšanas izmaksas. Čārlzs W. Hulls, pirmā 3D printera radītājs 80. gadu vidū un 3D Systems līdzdibinātājs un galvenais tehnoloģiju darbinieks, prognozē, ka šīs desmitgades beigās šī nozare darbosies par 4,5 miljardiem USD..

3D drukāšanas pielietojumi

3D drukāšanas nākotnes lietojumi joprojām tiek atklāti. Šie ir tikai daži no pašreiz notiekošajiem lietojumiem, kuri, visticamāk, vispirms tiks izmantoti vispār.

1. Medicīniskā
Pēc CNN ziņām, 3D printerus pētnieki jau izmanto, lai drukātu sīkas orgānu audu sloksnes (bioprinti), kā arī sejas piedēkļus (ausis un degunu). Iespiestus orgānus, piemēram, nieres vai aknas, kas ir nākamais tehnoloģiju attīstības posms, sākotnēji varētu izmantot narkotiku un vakcīnu pārbaudei un galu galā ražot tik ļoti nepieciešamos orgānus transplantācijai.

Baziliere saka: "3D bioprintera iespējas ar spēju izdrukāt cilvēka orgānus un audus tiks attīstītas daudz ātrāk nekā vispārēja šīs tehnoloģijas izpausmju izpratne un pieņemšana." Atbildot uz 3D Printer World galveno redaktoru Maiku Tiču, teikts: “Daudzi nozīmīgi medicīnas sasniegumi ir cietuši morālu pretestību, sākot ar orgānu transplantāciju un beidzot ar cilmes šūnām. Vai tikai bagātie varēs to atļauties? Vai mēs spēlējam Dievu? Rezultātā cilvēku glābšana mēdz pārspēt visus iebildumus. ”

2. Mākslīgās ekstremitātes
Vašingtonas universitātes studenti izstrādāja protezēšanas roku 13 gadus vecai meitenei, kura laivošanas negadījumā zaudēja ekstremitāti. Lai arī tās nav tik attīstītas kā citas protezēšanas, materiālu izmaksas 200 ASV dolāru vērtībā bija ievērojami zemākas par līdzīgu ierīču izmaksām 6000 ASV dolāru apmērā - tas ir faktors, kas daudzos uzņēmumos liedz to plaši izmantot.

Kylie Wicker no Rockland, Ilinoisas štatā, dzimusi bez pirkstiem uz kreisās rokas, saņēma operējamu 3D iespiestu plastmasas pirkstu komplektu, kura izmaksas bija USD 5 un kuru projektēja vidusskolas inženieru klase. Kanādas profesors strādā pie 3D drukāšanas procesa, lai izgatavotu protezēšanas ekstremitātes, kuras tiks nosūtītas uz Ugandu viņu ilgstošo pilsoņu karu upuriem..

3. Mode
Mode ir izmantojusi 3D drukāšanu, lai radītu vizuāli satriecošas kleitas un aksesuārus, kas tiek prezentēti uz Ņujorkas 2013. gada modes nedēļas skrejceļiem, kā arī unikālu kleitu “dūmi”, kas tika atklāta 2013. gada Frankfurtes Starptautiskajā autoizstādē. Dūmu kleita automātiski rada dūmu plīvuru ikreiz, kad kāds uzkāpj valkātāja personīgajā telpā.

Lady Gaga 2013. gada ArtRave valkāja pasaulē pirmo lidojošo kleitu, vēl vienu 3D drukātu kleitu Volantis. Continuum piedāvā pasaulē pirmo gatavu, pilnīgi 3D drukātu bikini N12, kas nosaukts par materiālu, no kura izgatavots: Nylon 12.

4. Prototipi un testa modeļi
Oxfam International, 17 organizāciju starptautiska konfederācija, kas strādā, lai atrastu praktiskus, novatoriskus veidus, kā cilvēkiem izkļūt no nabadzības, sadarbojās ar MyMiniFactory.com, lai izstrādātu novatoriskus dizainus, lai risinātu ūdens higiēnas problēmas Trešās pasaules valstīs. Lai gan tas vēl ir procesa sākums, sponsori uzskata, ka ātra jaunu ierīču pārbaude un ar 3D drukāšanu iespējamās turpmākās modifikācijas būs veiksmīga šādos humānajos projektos kā rokas sanitārijas ierīces pašreizējiem 2,4 miljoniem Sīrijas bēgļu, kas dzīvo pārpildītos, antisanitāros apstākļos.

Itāļu izgudrotājs Enriko Dini ir izstrādājis 3D printeri, kas pazīstams ar nosaukumu D-Shape, kas saista smilšu daļiņas kopā, lai izveidotu nogulumiežu. Tiek apgalvots, ka printeris ļauj ēku uzbūvēt četras reizes ātrāk nekā parasti, par pusi no izmaksām. Urbee, hibrīdautomašīna, kuru izstrādājis Kor Ecologic, ir divvietīgs, kas sasniedz līdz 200 jūdzēm uz vienu galonu ar aptuvenām izmaksām aptuveni 20 000 USD, un to pilnībā ražo 3D drukāšana.

5. Personīgai lietošanai
Cilvēki varēs drukāt pasūtījuma rotaslietas, sadzīves preces, rotaļlietas un darbarīkus jebkura izmēra, formas vai krāsas veidā, kā arī varēs drukāt rezerves daļas mājās, nevis pasūtīt tās un gaidīt, kad tās tiks piegādātas. . Saskaņā ar pētījumu firmas Strategy Analytics datiem, līdz 2030. gadam mājas 3D drukāšana varētu kļūt par USD 70 miljardiem gadā.

Pārtikas 3D printeri var pat beidzot atrisināt problēmu panākt, lai bērni ēst savus dārzeņus, jo vecākiem būs iespēja tos formēt visu veidu formās. Varbūt smalks toddler varētu pārliecināt ēst Briseles kāpostus, ja tie ir sagatavoti dinozaura formā.

Šķēršļi 3D drukāšanai

Kaut arī 3D printeru solījums ir būtisks, ir vienlīdz nozīmīgi šķēršļi, kas jāpārvar, pirms tie sasniedz nozares atbalstītāju cerības.

1. Vienkāršu, lētu patērētāju printeru trūkums
3D printeriem, kuru pārdošanas cena ir mazāka par 1000 USD, ir ierobežotas iespējas, to darbība var būt sarežģīta, tie var būt neuzticami un, lai tos lietotu, ir nepieciešama rokas montāža. Lai arī šie trūkumi galu galā tiks novērsti, var paiet daudz izmēģinājumu un kļūdu, līdz būs pieejams patērētāja pieņemamu cenu modelis.

2013. gada rakstā stratēģijā + biznesā norādīts, ka “neatkarīgi no tā, cik lēts kļūst 3D printeris, ražotne turpinās piedāvāt apjomradītus ietaupījumus izejvielām artefakta drukāšanai”. Rakstā arī apšaubīts, vai patērētājs mājās izmantos 3D printeri, lai izgatavotu plastmasas dakšiņu vai šaha gabalu, ja viņš vai viņa to var iegādāties no vietējā Walmart.

2. Drukāšanai piemērotu materiālu trūkums
Printeri, kas šobrīd ir pieejami par patērētāja cenām (2500 USD un mazāk), paļaujas uz kausētu nogulsnēšanas modelēšanas tehnoloģiju un PLA un ABS plastmasām. Šis materiāls nav izturīgs, un tā izmantojamība ir ierobežota. Eksperti uzskata, ka nākamajai paaudzei būs jāizmanto oglekļa kompozīti un metāli, lai tas būtu noderīgs vidusmēra patērētājam.

2014. gada raksts Lielbritānijas laikrakstā The Telegraph apbēdina jaunās tehnoloģijas aizstāvjus, kuri sludina tik spilgtas nākotnes, atzīmējot, ka pat veiksmīgi mājas 3D printeri “rada modeļus, kas izskatās pēc dažām stundām atstāti uz radiatora”. Rakstnieks turpina atzīmēt, ka, lai gan ir ļoti labi augšupielādēt ieroču detaļas internetā, bet bez līdzekļiem metāla izgatavošanai (patērētāja 3D printeriem jau nav), “ir lielāka iespēja, ka jūs noņemat roku, nevis izšauj lodi. ”

3. Nepieciešamība pēc zināšanām par CAD dizainu
Lai gan dažādu objektu lejupielādējami faili ir pieejami no tādām vietnēm kā Thingiverse un Shapeways, tie parasti ir tehniski un var nebūt saderīgi ar katru 3D printeri. Tā kā printeriem ir raksturīga mārketinga spēja, tos var attēlot kā vieglāk lietojamus nekā faktisko lietotāju pieredzi.

Toms Meeks, 3D printera lietotāju emuāra līdzautors, atzīmē paralēli starp 3D printeriem un Keurig kafijas automātu sistēmu un patērētāja dizaina nozīmi un lietošanas vienkāršību, atzīmējot, ka Keurig pagāja 16 gadi, lai iegūtu tirgus akceptu, kāds tam ir šodien. Un jāatzīst, ka kafijas dzērāju ir daudz vairāk nekā potenciālo 3D printera lietotāju. Mārketinga speciālisti uzskata, ka printeriem ir jābūt tikpat vienkāršiem, kā parasti darbam ar lāzerprinteri vai punktmatricas printeriem, ja tie ir plaši pieņemti..

4. Lēns, netīrs un potenciāli bīstams
Lai arī printeri ir lieliski piemēroti viena veida vai sarežģītiem, dārgiem objektiem, tie ir pārāk lēni masveida ražošanai. Izmantotie materiāli un to emisijas lietošanas laikā, īpaši pulveri, var būt netīri un potenciāli toksiski. Visbeidzot, pašreizējie 3D printeri, kas izmanto PLA plastmasu, darbojas ļoti augstā temperatūrā (no 220 līdz 230 grādiem). Lai arī šīs problēmas nav nepārvaramas, tās pārvarēšanai būs nepieciešams laiks un ieguldījumi.

Nobeiguma vārds

Nav zināms, vai 3D printeriem būs televizora, datora vai mobilā tālruņa ietekme, kā to sagaida tā aizstāvji. Attīstoties tehnoloģijai, iespējas un ieguvumi ir bezgalīgi. Tā noteikti ir tehnoloģija, kuru saudzīgs patērētājs apzinās un ir gatavs lietošanai, jo tas nogatavojas un kļūst par patēriņa produktu.

Ko tu domā? Vai jūs interesē 3D printeris??