Mis on 3D-printimistehnoloogia - kuidas see töötab, rakendused ja takistused

Need revolutsioonilised trükikojad on meie igapäevaelus üha nähtavamad:

• Püssid. 2013. aastal kujundas, lõi ja trükkis isehakanud “krüptoanarhist” Cody Wilson plastpüstoli 3D-printimistehnoloogia abil. Cody lasi maha ja jagas Interneti kaudu relva CAD-faile. Enne kui USA valitsus saidi sulges, laaditi alla 100 000 faili. 2014. aasta mais arreteeriti Yoshitomo Imura Jaapanis viie 3D-prinditud relva omamises.
• Kosmeetika. TechCrunch Disrupt näitusel New Yorgis 2014. aasta mais demonstreeris Harvardi MBA lõpetanud Grace Choi vähem kui 200 dollarit maksvat 3D-printerit Mink, mis ühendab FDA poolt heaks kiidetud tindi mitmesuguste substraatidega, et luua mis tahes tüüpi meiki, alates pulbritest, kreemitada, huulepulk. Choi sõnul “võtavad suured meigiettevõtted pigmendi ja substraadid ning segavad need omavahel ja panevad seejärel hinna üles. Me teeme sama asja ja laseme sul meigi oma kodus korda saada. ”
• Kehaosad. Ajakirja TIME 2013. aasta aruande kohaselt raiutavad 3D-printerid juba keharakke kehaosi, näiteks kõrvu ja ninasid. Juba varajases staadiumis on tehnoloogia paljutõotav kosmeetilise ja plastilise kirurgia jaoks.
• Toit. Massachusettsi tehnoloogiainstituut on välja töötanud 3D-printeri toiduks nimega „Cornucopia“ ja Prantsuse kulinaariainstituut on toidu valmistamiseks kasutanud Cornelli väljatöötatud FabatHome'i. Võib-olla pole “Star Trekis” kujutatud kosmoseaja vanuste toidureplantaadid tulevikus nii kaugel tulevikus, kui arvata võiksime.
• Kriminalistika ja arheoloogia. Telesaates “CSI: New York” kasutatakse 3D-printimist kehasiseste kuulide paljundamiseks, et vältida operatsiooni. Arheoloogid saavad uurimiseks korrata habrasid esemeid, kahjustamata seejuures originaalseid hindamatuid esemeid. Näiteks said Discovery Time Square King Tut Exhibitioni külastajad näha peaaegu ühesugust muumia 3D-prinditud koopiat, mille esitas ettevõte Materialize.

Michelangelo selgitas kunagi, et igas kiviplokis on ausammas ja skulptuuri ülesanne on see avastada. Kui kunstnik on mõistnud soovitud kolmemõõtmelist pilti, on tema ülesanne varjatud struktuur paljastada võõras materjal hoolikalt. Kui Michelangelo oleks saanud kasutada 3D-printerit, oleks tema loomeprotsess olnud täpselt vastupidine: alustades mitte millestki ja luues järk-järgult oma vaimset pilti, lisades ainet, kuni soovitud vorm oli täielik.

Kuidas 3D printimine töötab

Mõiste “3D-printimine” on ekslik, kuna kahemõõtmelise printimisega, millega paberile trükitakse tint, on vähe sarnasust. Protsess sarnaneb aga printimisega selle poolest, et tulemuseks on erinevate materjalide kihtide, mis on üksteise järel paigutatud erineva kujuga, kogunemine kindla kolmemõõtmelise objekti saamiseks. Täpsemaks kirjelduseks oleks lisaainete tootmine - tavapärasest tootmisest erinev meetod, mis põhineb tahke materjali eemaldamisel suuremast vormimata massist..

Protsess algab arvutipõhise kujunduse (CAD) või 3D-skanneriga, mis muudavad mudeli digitaalseks, kolmemõõtmeliseks mõõtmiseks. Valitud materjali (vedelik, pulber, paber või lehtmaterjal) kasutades pannakse mitu õhukest kihti paika ja sulatatakse kuumutamise, kõvendamise, tsentreerimise, lamineerimise või fotopolümerisatsiooni abil, moodustades ühe ühendatud objekti.

3D-printimistehnoloogia on arenenud viimase kolmanda sajandi jooksul; 2014. aasta Patent Insight Pro aruandes loetleti umbes 2635 3D-printimistehnoloogiaga seotud patenti, mis on välja antud alates 1970. aastate algusest. Ehkki iga patent võib olla oma patendinõudluse ja patendi väljaandmise õigustamiseks õigustatud, võib seda eristada järgmiselt:

• Tehnoloogiaprotsess tuvastatud. 3D-printimisel kasutatakse praegu 33 erinevat protsessi, alates sulatatud sadestumise modelleerimisest (FDM) - protsessist, kus termoplastsed materjalid kuumutatakse poolvedelateks olekuteks, seejärel ekstrudeeritakse see kihi kaupa kihti mööda arvuti juhitavat rada kuni stereolitograafiani, protsess, kus ultraviolettlaser kõvastub vedela fotopolümeeri kiht, kui see on üles tõstetud või langetatud vedela polümeeri mahutisse sukeldatud platvormi abil, mis on sarnane värvikihi järel värvimisega, kuni mitu kihti annavad valmis osa.
• Patendis täpsustatud materjalid. Siiani hõlmavad väljaantud patendid 45 erinevat materjali, sealhulgas keraamikat, savi, pallaadiumi, paberit, kummi, hõbedat, titaani ja vaha.
• Kasutamine või rakendus. Lõpuks oli 3D-printimise jaoks vähemalt 22 kaubanduslikku rakendust, sealhulgas ehitus-, kaitse- ja toiduainetööstus.

3D-printimistööstuse olukord

Paljud tööstuse vaatlejad väidavad, et massiturgudele tungimise puudumine on seni olnud tingitud erinevate ettevõtete ulatuslikest patentidest ja intellektuaalomandi kohtuasjade tõenäosusest. Lihtsalt öeldes ei ole ettevõtted kulutanud ressursse tehnoloogia kasutamiseks, kuna kardavad kohtusse kaevamist.

See konkurentsitõke on hoidnud uustulnukad turult eemal ja hinnad kõrged; liiga kõrge, et toetada massituru tarbijarakendusi. Kuna paljud põhitehnoloogiaga seotud patendid aeguvad 2013. aastal ja enam aeguvad 2014. ja 2015. aastal, on tõenäoline uute toodete plahvatus ja seadmete hinnakujunduse langus, mis sarnaneb muu elektroonilise riistvara, näiteks telerite, arvutite langusega. ja mobiiltelefonid. Madalamad hinnad tagavad esmakordselt tarbijatele laiapõhjalise juurdepääsu.

3D-printimise juhtiva Gartneri analüütiku Pete Basiliere sõnul ilmub 2016. aastaks 2016. aastal kaalukas tarbijarakendus - midagi, mida saab kodus luua vaid 3D-printer - ja sellel on 3D-printeritele sarnane mõju kui arvuti arvutustabelil või kaamera lisamine mobiiltelefonile. Gridlogics Technologiesi aruandes ennustatakse, et tehnoloogiast saab massitoode, kuna see võimaldab tarbijatel asendada või luua ühiseid majapidamisobjekte, mis on nüüd toodetud traditsiooniliste tootmismeetoditega ning hõlmavad sellega seotud turunduse, logistika ja laohoolduse kulusid. 1980. aastate keskel esimese 3D-printeri looja ning 3D-süsteemide kaasasutaja ja tehnoloogiaametnik Charles W. Hull ennustab, et selle kümnendi lõpuks on tööstusharu 4,5 miljardi dollari suurune ettevõte..

3D-printimise rakendused

3D-printimise tulevasi kasutusvõimalusi alles avastatakse. Allpool on toodud vaid mõned praegu käimasolevad rakendused, mis tõenäoliselt on kõigepealt üldkasutatavad.

1. Meditsiiniline
CNNi andmetel kasutavad teadlased 3D-printereid juba pisikesteks elundikoega ribadeks (bioprindiks), aga ka näo lisanditeks (kõrvad ja ninad). Trükitud elundeid nagu neer või maks - tehnoloogia arengu järgmine etapp - võiks algselt kasutada ravimite ja vaktsiinide testimiseks ning lõppkokkuvõttes toota siirdamiseks vajalikke elundeid.

Basiliere nendib: "Inimese elundeid ja kudesid printida võimaldavad 3D-bioprindirajatised arenevad palju kiiremini kui selle tehnoloogia tagajärgede üldine mõistmine ja aktsepteerimine." 3D Printer Worldi peatoimetaja Mike Titsch väidab vastuseks: “Paljud suured meditsiinilised läbimurded on kannatanud moraalse vastupanu all, alates elundite siirdamisest tüvirakkudeni. Kas ainult rikkad saavad seda endale lubada? Kas me mängime Jumalat? Inimelude päästmine kipub lõpuks kõiki vastuväiteid lööma. ”

2. Kunstlikud jäsemed
Washingtoni ülikooli tudengid arendasid proteesimisvarre 13-aastasele tüdrukule, kes oli paadiga õnnetuses kaotanud jäseme. Ehkki materjalide maksumus ei olnud nii arenenud kui teiste proteeside valmistamisel, oli materjalide hind 200 dollarit oluliselt madalam kui sarnaste seadmete 6000 dollari maksumus, mis välistab paljudes ettevõtetes laialdase kasutamise..

Illinoisi osariigis Rocklandist pärit Kylie Wicker, kes sündis ilma vasaku käe sõrmedeta, sai operatsioonikomplekti 3D-prinditud plastikust sõrmedega, mille hind oli 5 dollarit ja mille kujundas keskkooli inseneriklass. Kanada professor tegeleb 3D-printimisprotsessiga, et teha proteesitavaid jäsemeid, kes saadetakse Ugandasse nende kestvate kodusõdade ohvritele..

3. Mood
Mood on 3D-printimist kasutanud visuaalselt uimastatavate kleitide ja aksessuaaride loomisel, mida esitletakse New Yorki moenädala 2013 radadel, samuti ainulaadset „suitsu“ kleiti, mis avati 2013. aasta Frankfurdi rahvusvahelisel autonäitusel. Suitsukleit loob automaatselt suitsu loori, kui keegi astub kandja isiklikku ruumi.

Lady Gaga kandis 2013. aasta ArtRave'is maailma esimest lendavat kleiti, veel ühte 3D-prinditud kleiti Volantis. Continuum pakub maailmas esimest valmis kasutamiseks täiesti 3D-prinditud bikiinit N12, mille nimi on materjal, millest see on valmistatud: Nylon 12.

4. Prototüübid ja katsemudelid
Oxfam International, 17 organisatsiooni rahvusvaheline konföderatsioon, mis tegeleb inimeste vaesusest väljaarendamiseks praktiliste ja innovaatiliste võimaluste leidmisega, tegi MyMiniFactory.com-i ühiselt koostööd, et töötada välja uuenduslikud kavandid veehügieeni probleemide lahendamiseks kolmanda maailma riikides. Kujundusi saab enne masstootmisse viimist kiiresti printida, katsetada ja muuta. Kuigi protsess on alles varajane, usuvad sponsorid, et uute seadmete kiire katsetamine ja 3D-printimisega võimalikud muudatused on sellistes humanitaarprojektides edukas, nagu praeguse 2,4 miljoni Süüria põgeniku jaoks, kes elavad rahvarohketes ja ebasanitaarsetes tingimustes käsipuhastusseadmetena..

Itaalia leiutaja Enrico Dini on välja töötanud 3D-printeri, tuntud kui D-kuju, mis seob liivaosakesed settekivi moodustamiseks. Väidetavalt võimaldab printer poole hoone maksumusest hoone ehitamist tavapärastest vahenditest neli korda kiiremini. Kor Ecologici projekteeritud hübriidauto Urbee on kahekohaline, mille hind on kuni 200 miili galloni kohta ja mille hinnanguline maksumus on umbes 20 000 dollarit, ning see on täielikult toodetud 3D-printimise abil.

5. Isiklik kasutamine
Inimesed saavad printida kohandatud ehteid, majapidamistarbeid, mänguasju ja tööriistu soovitud suuruse, kuju või värviga, samuti saavad nad kodus trükkida varuosi, selle asemel, et neid tellida ja oodata, kuni need kätte antakse. . Uuringufirma Strategy Analytics andmetel võib kodune 3D-printimine 2030. aastaks muutuda 70 miljardi dollari suuruseks tööstuseks.

Toidu 3D-printerid võivad isegi lõpuks lahendada laste köögivilju sööma saamise probleemi, kuna vanematel on võimalus neid vormida igasugusteks vormideks. Võib-olla võiks peenike väikelaps veenduda sööma rooskapsaid, kui need oleks valmistatud dinosauruse kujul.

3D-printimise takistused

Ehkki 3D-printerite lubadus on märkimisväärne, on võrdselt olulisi takistusi, mis tuleb ületada, enne kui see saavutab tööstuse pooldajate ootused.

1. Lihtsate ja odavate tarbijaprinterite puudumine
3D-printeritel, mis müüvad vähem kui 1000 dollarit, on piiratud võimalused, nende kasutamine võib olla keeruline, võib olla ebausaldusväärne ja nende kasutamiseks võib olla vajalik käsitsi kokkupanek. Ehkki need puudused kõrvaldatakse lõpuks, võib taskukohase tarbijamudeli kättesaadavus võtta palju katse-eksituse meetodit ja aega.

2013. aasta strateegiat ja äri käsitlevas artiklis märgitakse, et "hoolimata sellest, kui odavaks saab 3D-printer, jätkab tootmisettevõte artefakti trükkimiseks vajalike toorainete mastaabisäästu pakkumist". Artiklis seatakse kahtluse alla ka see, kas tarbija kasutab kodus 3D-printerit plastkahvli või maletüki valmistamiseks, kui ta saab seda kohalikust Walmarti osta.

2. Trükkimiseks sobivate materjalide puudumine
Praegu tarbijahindades (2500 dollarit ja vähem) saadaval olevad printerid tuginevad sulatatud sadestumise modelleerimise tehnoloogiale ning PLA- ja ABS-plastidele. See materjal pole vastupidav ja piiratud kasutamiskõlblikkusega. Eksperdid usuvad, et järgmine põlvkond peab kasutama keskmiselt tarbijale kasulikke süsinikkomposiite ja metalle.

Suurbritannia väljaandes The Telegraph 2014. aastal ilmunud artikkel heidab uue tehnoloogia propageerijatele esile selliseid säravaid tulevikke, märkides, et isegi edukad kodus kasutatavad 3D-printerid loovad mudeleid, mis näevad välja sellised, nagu nad oleks mõni tund radiaatorile jäetud. Kirjanik jätkab, et kuigi relvade osade Internetti üleslaadimine on väga hea, kuid ilma metallide valmistamiseks vajalike vahenditeta (3D-printeritel, mida võimsusel 3D-printeritel veel pole), võtab see tõenäolisemalt käe ära kui tulista kuul. ”

3. CAD-disaini teadmise vajadus
Ehkki erinevate objektide allalaaditavad failid on saadaval sellistelt saitidelt nagu Thingiverse ja Shapeways, on need üldiselt tehnilised ega pruugi ühilduda kõigi 3D-printeritega. Printerite ümbritseva turundusliku hüpe tõttu võidakse neid kujutada hõlpsamini käitatavatena kui tegelike kasutajate kogemusi.

3D-printeri kasutajate ajaveebi kaastöötaja Tom Meeks märgib 3D-printerite ja Keurigi kohvimasinate süsteemi vahelist paralleeli ning tarbijakujunduse olulisust ja kasutusmugavust, märkides, et tänapäeval turule jõudnud aktsepteerimiseks kulus Keurigil 16 aastat. Ja tuleb tõdeda, et kohvijoojaid on palju rohkem kui potentsiaalseid 3D-printeri kasutajaid. Turundusasjatundjate arvates peavad laialdase heakskiidu saamiseks printerite käsitsemine olema sama lihtne kui tavaliste laser- või punktmaatriksprinterite kasutamisel..

4. Aeglane, räpane ja potentsiaalselt ohtlik
Ehkki printerid sobivad suurepäraselt üksikute või keerukate, kallite objektide jaoks, on need masstootmise jaoks liiga aeglased. Kasutatavad materjalid ja nende eraldumine kasutamise ajal, eriti pulbrid, võivad olla räpased ja potentsiaalselt toksilised. Lõpuks, praegused 3D-printerid, mis kasutavad PLA-plasti, töötavad väga kõrgetel temperatuuridel (220–230 kraadi). Kuigi need probleemid pole ületamatud, on nende ületamiseks aega ja investeeringuid vaja.

Lõppsõna

Kas 3D-printeritel on televiisori, arvuti või mobiiltelefoni mõju, nagu selle pooldajad eeldavad, pole teada. Tehnoloogia arenedes on võimalusi ja eeliseid lõputult. See on kindlasti tehnoloogia, mida nutikas tarbija tunneks ja oleks valmis kasutamiseks küpsemisel ja muutudes tarbijatooteks.

Mida sa arvad? Kas olete huvitatud 3D-printeri omamisest??