3D-друк: що потрібно знати

Вони не принтер колеса вашого дідуся або маточна матриця вашої мами. Насправді вони мало нагадують сьогоднішній документ або фотодрук, який може друкувати лише у нудних старих двох вимірах. Як випливає з назви, 3D-принтери можуть створювати тривимірні об'єкти з різноманітних матеріалів. Вони збираються в основному, з'являючись у роздрібних торгових мережах, таких як Staples, Best Buy та Home Depot, і ви можете придбати численні 3D-принтери та їхні товари на Amazon.com та через інші інтернет-магазини. Хоча вони все ще знаходяться на торгових майданчиках або в дизайнерських студіях, школах та громадських центрах, а також у руках любителів, 3D-принтери все частіше зустрічаються на робочих стільцях, в кімнатах для відпочинку і на кухнях - а можливо, і в будинку поруч, якщо ви не свій.

Що таке 3D-друк?

У самому своєму основному 3D-друк - це виробничий процес, при якому матеріал укладається, шар за шаром, для формування тривимірного об'єкта. (Це вважається адитивним процесом, оскільки об'єкт побудований з нуля, на відміну від віднімаючих процесів, в яких матеріал ріжуть, свердлить, фрезують або відробляють.) Хоча в 3D-принтерах використовуються різні матеріали (наприклад, пластик або метал) та методи (див. "Як працює 3D-друк?" нижче), вони діляться можливістю перетворювати цифрові файли, що містять тривимірні дані - створені за допомогою комп'ютерного дизайну (CAD) або для автоматизованого виготовлення (CAM) програми, або із 3D-сканера - у фізичні об'єкти.

Чи є 3D-друк рівним друком?

Так, 3D-друк можна вважати друком, хоча і не так, як це було визначено традиційно. Відповідні визначення Вебстера "друкарський" центр з виробництва друкованої продукції, публікацій чи фотографій та виготовлення за допомогою враження (застосування тиску). Жодне визначення не відповідає 3D-друку. Але з технологічної точки зору 3D-друк - це відростання традиційного друку, в якому наноситься шар матеріалу (як правило, чорнила). Зазвичай він настільки тонкий, що немає помітної висоти (хоча з твердими чорнильними принтерами він дещо товстіший). Те, що робить 3D-друк, значно збільшує цю висоту за допомогою нанесення декількох шарів. Тож було б доцільно розширити визначення друку, щоб включити виготовлення тривимірних предметів таким чином.

Як працює 3D-друк?

Подібно до традиційних принтерів, 3D-принтери використовують різні технології. Найбільш відомим є моделювання плавленого осадження (FDM), також відоме як виготовлення плавлених ниток (FFF). У ній розплавляється і наноситься через нагріту екструзійну форсунку в шарах нитку, що складається з акрилонітрилу бутадієнового стиролу (ABS), полімолочної кислоти (PLA) або іншого термопластику. Перші 3D-принтери, що з'явилися на ринку, виготовлені в середині 1990-х Stratasys за допомогою IBM, використовували FDM (термін, торгова марка Stratasys), як і більшість 3D-принтерів, орієнтованих на споживачів, любителів та шкіл.

Ще одна технологія, що використовується в 3D-друку, - стереолітографія. У ній ультрафіолетовий лазер світить у чану фотополімеру, чутливого до ультрафіолетового випромінювання, простежуючи об’єкт, який повинен створюватися на його поверхні. Полімер твердне там, де промінь торкається його, і промінь "друкує" шар об'єкта за шаром згідно інструкцій у файлі CAD або CAM, з якого він працює.

Окрім цього, у вас є також 3D-проектор цифрового світла (DLP). Цей метод піддає рідкому полімеру світло від цифрового проектора для обробки світла. Це твердне полімерний шар за шаром, поки об'єкт не побудований, а решту рідкий полімер не буде злито.

Багатоструменеве моделювання - це струменева 3D-система друку, яка розпорошує кольоровий клейовий в’яжучий шар на послідовні шари порошку, де повинен бути утворений об'єкт. Це один з найшвидших методів і один з небагатьох, який підтримує багатобарвну друк.

Можливо змінити стандартний струменевий друк для друку іншими матеріалами, ніж чорнило. Підприємці, що роблять самі, виготовляють або модерують друкуючі головки, як правило, п'єзоелектричні головки для роботи з різними матеріалами - в деяких випадках роздруковують самі друкуючі головки на інших 3D-принтерах! Такі компанії, як MicroFab Technologies продають друковані головки, що підтримують 3D (а також повноцінні системи друку).

Селективне лазерне спікання (SLS) використовує потужний лазер для плавлення частинок пластику, металу, кераміки або скла. Після закінчення завдання решту матеріалів переробляють. Для плавлення електронних променів (EBM) використовується - ви здогадалися - електронний промінь для плавлення металевого порошку, шар за шаром. Титан часто використовується разом з EBM для синтезу медичних імплантатів, а також деталей літаків.

Залежно від техніки, 3D-принтери можуть використовувати різноманітні матеріали, включаючи, але не обмежуючись ними, метали (нержавіюча сталь, припой, алюміній та титан); пластмаси та полімери (включаючи композити, що поєднують пластмаси з металами, деревом та іншими матеріалами); кераміка; штукатурка; скло; і навіть такі продукти, як сир, глазур та шоколад! (Дивіться наш буквар про типи ниток 3D-принтера.)

Хто придумав 3D-друк?

Перший 3D-принтер, який використовував техніку стереолітографії, був створений Чарльзом У. Халлом в середині 1980-х. Стереолітографія - це багато в чому дорога комерційна техніка, часто машини коштують 100 000 доларів і більше.

У 1986 році Халл заснував 3D Systems, компанію, яка сьогодні продає 3D-принтери, що використовують різноманітні технології. Вони варіюються від наборів початкового рівня до прогресивних комерційних систем, а 3D Systems також надає послуги на замовлення деталей, в основному для бізнес-користувачів.

Які переваги 3D-друку?

Завдяки 3D-друку дизайнери мають можливість швидко перетворити концепції на тривимірні моделі або прототипи (відомі також як "швидке прототипування") та впровадити швидкі зміни дизайну. Це дозволяє виробникам виробляти продукцію під замовлення, а не великими тиражами, покращуючи управління запасами та скорочуючи складські площі. Люди у віддалених місцях можуть виготовляти предмети, які б інакше були для них недоступні.

З практичної точки зору, 3D-друк дозволяє економити гроші та матеріали порівняно з віднімаючими прийомами, оскільки витрачається дуже мало сировини. І це обіцяє змінити характер виготовлення, врешті-решт дозволяючи споживачам завантажувати файли для друку навіть складних 3D-об’єктів - включаючи, наприклад, електронні пристрої - у власні будинки.

Що можуть зробити 3D-принтери?

Дизайнери використовують 3D-принтери для швидкого створення моделей виробів та прототипів, але вони все частіше використовуються і для виготовлення кінцевих виробів. Серед предметів, виготовлених за допомогою 3D-принтерів, є взуттєві конструкції, меблі, воскові відливки для виготовлення ювелірних виробів, інструментів, штативів, предмети подарунків та новинок, іграшки. Автомобільна та авіаційна промисловість використовують 3D-принтери для виготовлення деталей. Художники можуть створювати скульптури, а архітектори можуть виготовляти моделі своїх проектів. Археологи використовують 3D-принтери для реконструкції моделей крихких артефактів, включаючи деякі старожитності, які в останні роки були знищені ISIS. Так само палеонтологи та їх студенти можуть копіювати скелети динозавра та інші копалини. Перегляньте нашу галерею простих та практичних об’єктів 3D-принтера.

Лікарі та медичні працівники можуть використовувати 3D-друк для виготовлення протезів, слухових апаратів, штучних зубів та кісткових трансплантатів, а також для копіювання моделей органів, пухлин та інших внутрішніх тілесних структур з КТ під час підготовки до операції. Хороший приклад - проект Daniel, який 3D-друкує протезні руки та руки жертвам насильства в Судані. Також розробляються 3D-принтери, які можуть відкладати шари клітин для створення штучних органів (таких як нирки та судини), вже перебувають у фазі НДДКР. У криміналістиці навіть є місце для 3D-друку, наприклад, для копіювання кулі, покладеної всередині потерпілого.

Друкована електроніка - це набір методів друку, що дозволяють друкувати електронні пристрої або схеми на гнучкому матеріалі, такому як етикетки, тканини та картон, застосовуючи електронні або оптичні чорнила. Він забезпечує дуже дешеве виготовлення низькопродуктивних пристроїв. Друкована електроніка починає поєднуватися з 3D-друком, що дозволяє друкувати шаруваті схеми або пристрої. Природним зростанням цього потужного комбо є те, що коли-небудь ви зможете роздрукувати гаджети з 3D-планів, а не купувати їх.

Приготування їжі - це ще один спосіб використання 3D-принтерів. Французький кулінарний інститут використовує 3D-принтер із відкритим кодом, розроблений в університеті Корнелла, для приготування мистецьких делікатесів, а MIT створив 3D-принтер для харчових продуктів під назвою Cornucopia. Невелика кількість ресторанів тестують прототипи харчових принтерів. Дослідження 3D-друку НАСА включало друк харчових продуктів, наприклад, піцу з друком у 3D.

Жменя харчових 3D-принтерів стали комерційно доступними. Вони, як правило, зосереджуються на певних харчових продуктах, таких як шоколад, млинці чи печиво.

Що таке послуги 3D-друку?

Вам не потрібно володіти 3D-принтером, щоб користуватися цим. Багато служб 3D-друку, такі як Shapeways і Sculpteo, друкують подарунки та інші дрібні предмети на замовлення на власних 3D-принтерах, а потім доставляють їх замовнику. Клієнти можуть або подати власні файли 3D-об’єктів, або вибрати предмети, більшість з яких розроблені іншими користувачами сервісу, з онлайн-каталогу.

Але послуги 3D-друку - це вже не лише сфера фахівців. Великі компанії, такі як Staples та UPS, представили послуги з 3D-друку, а деякі традиційні друкарні додали до свого репертуару 3D-друк.

Де я можу отримати 3D-принтер?

Більшість виробників 3D-принтерів продають свою продукцію безпосередньо в Інтернеті. Зараз у них є багато електронних магазинів, включаючи компанії, що працюють лише в Інтернеті, такі як Amazon.com та інші, які також мають цегельно-будівельні магазини. Деякі з останніх, такі як Walmart, Best Buy та Staples, пропонують їх як в магазинах, так і в Інтернеті, але не забудьте перевірити наявність магазинів на своїх веб-сайтах, оскільки не всі торгові точки мають їх. У великих містах відкрилися кілька магазинів 3D-принтерів. Наприклад, iMakr має вітрини в Лондоні та Нью-Йорку.

Кілька роздрібних торгових мереж спеціалізуються на 3D-принтерах, таких як Dynamism, який продає низку 3D-принтерів різних марок, а також надає підтримку клієнтів.

Яке програмне забезпечення потрібно для 3D-друку?

Майже всі 3D-принтери приймають файли у форматі STL (названому для стереолітографії). Ці типи файлів можуть вироблятися більшістю будь-якого програмного забезпечення CAD, від дорогих комерційних пакетів, таких як AutoCAD, до безкоштовних або з відкритим кодом, таких як Google SketchUp і Blender. Для тих, хто не схильний створювати власні 3D-файли, бази даних 3D-об’єктів, такі як MakerBot's Thingiverse, пропонують численні файли 3D-об’єктів, які можна завантажити та роздрукувати.

Більшість 3D-принтерів постачаються з програмним набором, який постачається на диску або доступний для завантаження, який включає все необхідне для друку. У наборах зазвичай передбачена програма управління принтером та розрізом, яка, готуючись до друку, форматує файл об'єкта в шари на основі вибраної роздільної здатності та інших факторів. Деякі пакети включають програму "зцілення" об'єктного файлу, виправляючи проблеми, які можуть заважати гладкому друкуванню. Програми вийшли з руху з відкритим кодом RepRap, з якого розвинулася хобі-3D-друк. З деякими принтерами ви можете вибирати окремі компоненти програм для завантаження, а не виконувати те, що передбачено в наборі.

Що означає майбутнє для 3D-друку?

Різноманітні 3D-принтери для будинків та малого бізнесу легко доступні - PCMag переглянув їх досить багато - але вони все ще часто розглядаються як екзотичні та досить дорогі підробки. Очікуйте, що це зміниться протягом найближчих років, коли 3D-принтери стануть звичнішими в будинках - їх можна знайти на робочих стільцях, в студіях, домашніх офісах і навіть на кухні. Ви можете їх знайти не в кожному домогосподарстві, але вони стануть незамінними тим людям, хто їх має. Здебільшого предмети, виготовлені за допомогою 3D-принтерів, мали гомогенний інтер’єр, але ми почнемо бачити більш складні твори, що поєднують у собі багато матеріалів та композитів, а також електроніку для друку. Завдяки сучасним 3D-принтерам, якщо ви втратите кришку батареї дистанційного телевізора, ви можете надрукувати кришку заміни. Завтра, якщо ви втратите пульт, ви зможете надрукувати новий пульт.

Також 3D-друк закріплюється в космічному просторі. NASA експериментує з 3D-принтерами на борту Міжнародної космічної станції. Врешті-решт, 3D-принтери можуть бути використані для створення місць існування на Марсі та інших світах. Щоб врятувати астронавтів Apollo 13 від загибелі оксиду вуглецю, NASA довелося фактично знайти спосіб встановити квадратний кілочок у круглу яму. Якби на борту був 3D-принтер, вони, можливо, змогли легко вирішити проблему, спроектувавши та роздрукувавши роз'єм.

Астронавти не можуть помахнутись на Home Depot, якщо їм потрібно замінити клапан або віджет, але 3D-принтер може виготовити його за потребою. Так само ми побачимо 3D-принтери в базах Антарктики та інших віддалених місцях Землі, де люди не можуть чекати півроку наступної подачі, щоб замінити необхідні деталі чи інструменти.

Медичне застосування 3D-друку не припиняється на протезах, слухових апаратах та зубних коронках. (Див. "Що можна зробити 3D-принтери?" Вище для попереднього перегляду того, що знаходиться в роботі.) Замінні деталі не повинні обмежуватися механічними.

Останні кілька років ми спостерігали вибух різноманітності та використання 3D-принтерів. Це схоже на те, де персональні обчислення були приблизно в 1980 році. Хоча досить просто побачити деякі сфери, на які буде розгалужуватися сфера 3D-друку, інші - поза нашими можливостями прогнозування, так як ніхто в 1980 році не міг уявити багато чого з того, що персональний комп'ютер перетворився б. Можливо, що 3D-друк може не мати такого впливу, як ПК, але він має потенціал до революції у виробництві і, що може бути важливіше, передати його в руки повсякденних споживачів. Однак одне точно: 3D-друк тут залишився.

Щоб дізнатися більше, ознайомтеся з нашим посібником з 10 найкращих 3D-принтерів та деякими відомостями від раннього прийняття.