Где применяется 3D-печать

Фролов Михаил

Тема: 3D принтеры

3D-принтер — это специальное устройство для вывода трёхмерных данных. В отличие от обычного принтера, который выводит двумерную информацию на лист бумаги, 3D-принтер позволяет выводить трехмерную информацию, т.е. создавать определенные физические объекты. В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твердой модели.

Преимуществами подобных устройств перед обычными способами создания моделей являются высокая скорость, простота и низкая стоимость. Например, для того, чтобы создать модель вручную может понадобиться несколько недель или даже месяцев, в зависимости от сложности изделия. В результате значительно повышаются затраты на разработку, увеличиваются сроки выпуска готовой продукции. 3D-принтеры позволяют полностью избавиться от ручного труда и создать модель будущего изделия всего за несколько часов при этом исключая возможность ошибок, присущие «человеческому фактору».

самое важное, что вам следует знать о развитии 3D-печати в мире:

1. 3D-принтер в каждый дом.

Технология существует уже более 30 лет. Истерия в СМИ по поводу «третьей промышленной революции» и тезис о том, что «теперь дома можно будет печатать себе айфоны и телевизоры» несколько преждевременны, если не сказать больше.

Рынок

Необходимо отделять рынок и бизнес по производству 3D-принтеров от рынка оказания услуг 3D-печати. Объемы рынков совершенно разные, как и компании на них.

Технологии

Важно рассматривать отдельно рынок и технологии «домашней» 3D-печати и промышленной. Промышленная появилась существенно раньше и включает в себя такие технологии как SLA, SLS, MJM, PolyJet, 3DP, SLM, FDM. Основная технология домашней 3D-печати — FDM. Также на рынок «домашних» устройств вышли принтеры на технологиях SLA и SLS, что дает определенный качественный скачок вперед.

Ограничения

Изначально и до сих пор 3D-печать — это про производство лимитированного количества изделий, товаров, прототипов и тп. Технология заведомо не позволит сделать стоимость производства единицы изделия дешевле, чем при массовом производстве. Зато технологии позволяют сделать очень дешевым старт производства любого изделия, когда вы либо:

А) изготавливаете первые прототипы,

Б) тестируете спрос на рынке.

Где применяется 3D-печать

Как правило, 3D-принтеры применяются для быстрого изготовления прототипов и используются в самых разных областях. Работа с реальными физическими моделями дает множество преимуществ тем, кто применяет технологию 3D-печати. В первую очередь, это возможность оценить эргономику будущего изделия, его функциональность и собираемость, а также исключить возможность скрытых ошибок перед запуском изделия в серию. Таким образом, можно сэкономить значительное количество финансовых средств и времени благодаря сокращению цикла производства.

Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. Более того, прототипы позволяют проводить такие тесты, которые не рекомендуются к проведению на готовом образце. Например, Porsche использовала прозрачную пластиковую модель трансмиссии 911 GTI для изучения тока масла в процессе ее разработки. При этом следует отметить, что такую модель можно сделать очень быстро — а в наше время высоких скоростей это очень важно.

Однако, прототипы — это еще не все. Следующая ступень — быстрое производство. Уже сейчас некоторые технологии 3D-печати позволяют изготовлять готовые предметы из различных материалов. Это идеальное решение для мелкосерийного производства, поскольку унифицированный техпроцесс дает возможность сделать деталь любой конфигурации за относительно малое время.

Более того, возможность быстрого создания необходимого количества учебных моделей даёт возможность решить много проблем образования. Помимо этого 3D-печать широко применяется в медицине для создания макетов внутренних органов человека, протезов и имплантатов. Высокую заинтересованность вызывают и маркетинговые аспекты 3D печати. Благодаря ей можно повысить качество работы с клиентами, демонстрируя полноценные прототипы продукции. Используется данная технология и в трехмерной рекламе. Среди экзотических вариантов использования 3D-печати следует отметить производство обуви. Пока что данная услуга рассчитана на профессиональных спортсменов. Нога будущего владельца сканируется лазером для создания цифровой модели. На основании этой информации и " выращивается" обувь путём послойного лазерного спекания. Таким образом, 3D-печать является одной из наиболее перспективных технологий, которая позволит сэкономить огромное количество времени и сил инженерам и дизайнерам.

Несомненным лидером в области 3D-печати является компания 3D Systems. 3D-принтеры этой компании успешно используются многими фирмами и организациями, наиболее известными из которых являются: 3M, Black& Decker, Cisco, Continental Tire, Hewlett Packard, IBM, LG Electronics, MIT, NASA, Pratt & Whitney, Puma, Reebok, Rolls-Royce, US Army и т.д. Как правило, практически любая высокотехнологичная компания приходит к использованию устройств 3D Systems.

Наиболее типичные области применения 3D-принтеров:

Архитектура. При помощи 3D-принтера можно изготовить макет отдельного здания или различные его важные элементы, или сразу макет целого микрорайона или коттеджного поселка с дорогами и деревьями.

Геоинформационные системы. Используя 3D-принтеры, можно создавать цветные объемные карты, точно повторяющие ландшафт местности или оказывающие уровень залегания различных пород.

Медицина, где подобное устройство может существенно облегчить изготовление и примерку протезов. Применение 3D-принтера даст возможность создавать муляжи и макеты органов пациента для подготовки врачей к ответственным операциям.

Образование. 3D-принтеры позволяют создавать наглядные пособия для школьников и студентов. Устройства 3D Systems отлично подходят для классной комнаты или офиса, поскольку обладают повышенной надежностью благодаря улучшенной технологии: Кроме того, в образовательных учреждениях дизайнерских или конструкторских специальностей доступ студентов к 3D-принтеру мог бы способствовать большей эффективности обучения.

Быстрое мелкосерийное производство. Заслуживают упоминания также и возможность использования 3D-принтеров для производства уже не макетов и прототипов, а штучных товаров, например, предметов искусства, в коммерческих целях. Наиболее популярным и любопытным видом такого применения стало изготовление фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр. За последние три года производство подобных фигурок фактически превратилось в новый вид коммерческой деятельности, успешность которой напрямую зависит от популярности игры. Так, например, участники игры World of Warcaft, насчитывающей более 12 млн. подписчиков по всему миру, имеют возможность заказать трехмерную печать своего персонажа за немалые $130. При этом количество желающих таково, что компании, осуществляющей печать, приходилось проводить среди них лотереи на право печати без ожидания своей очереди по несколько месяцев.

Пример печати в 3D поэтапно

	1. В качестве строительного материала для создания или «выращивания» трехмерной модели используется композитный порошок, чем-то напоминающий гипс. Дозирующая камера наносит слоями порошок на дно специальной камеры.
	2. Ось принтера распределяет порошок тонким слоем.
	3. Печатающие головки выборочно наносят связующее вещество для укрепления. В качестве основного инструмента используется струйная печатная головка серийного производства от Hewlett Packard. Вместо чернил головка использует бесцветный клеевой состав в качестве связующего вещества. Клеевой состав изготовлен на водной основе, как и обычные чернила для термоструйной печати. Головка перемещается над слоем порошка и наносит на поверхность рисунок поперечного сечения будущей трехмерной модели. Процесс фактически идентичен обычной струйной печати, с тем отличием, что роль бумаги играет порошок, а вместо чернил используется клей.
	4. После печати одного поперечного сечения дно камеры опускается на толщину слоя порошка для подготовки следующего слоя, после чего процесс повторяется: засыпается новый слой порошка, по которому клеем печатается рисунок следующего сечения модели.
	5. Клей скрепляет частицы порошка, формируя в камере объемную фигуру, созданную из отпечатанных поперечных сечений исходной трехмерной модели. Когда последний слой-сечение отпечатан, принтер сначала нагревает камеру с порошком, чтобы высушить клей, затем незапечатанный клеем порошок откачивается обратно в емкость, из которой он подавался и вертикальная камера опорожняется. Результат печати в виде завершенной модели остается на дне камеры. После завершения печати необходимо выполнить послепечатную обработку: удалить остатки незакрепленных частиц порошка струей воздуха, а из труднодоступных участков — кисточкой, затем пропитать поверхность закрепляющим составом для заполнения пор между частицами порошка и придания модели большой твердости (или других свойств в зависимости от назначения модели).

Особенности и преимущества технологии:

• Высокая точность печати, как при стандартном литьевом формовании. Электронная система чётко контролирует ход печати. Печатная головка тщательно и точно распределяет связующее вещество и цвет в областях, заданных программным обеспечением 3D-принтера.
• Недорогие порошкообразные материалы приводят к снижению себестоимости производства модели (от 0, 1$ за 1 см3).
• Надежность, высокая скорость и большое разрешение для создания моделей с мелкими деталями, обусловленные хорошо отлаженной технологии термальной струйной печати.
• Во время печати модель со всех сторон окружена незапечатанным порошком, что позволяет создавать фигуры сложной формы, создание которых иным способом либо невозможно, либо требует установки специальных подпорок, удерживающих части модели на весу.
• Возможность одновременной печати нескольких деталей, расположив их в объеме камеры печати. Печатные головки могут перемещаться по всей поверхности слоя порошка, независимо от формы данной модели.
• При печати не выделяются токсичные вещества, что позволяет использовать такие устройства в обычном офисе, где нет систем дополнительной вентиляции. А автоматическая откачка излишков порошка из камеры для их повторного использования, делает процесс чистым и экономичным.
• Возможность цветной печати, основанная на технологии чернильной печати, позволяющая воспроизводить до 90% чернильного цветового спектра. Технология также позволяет печатать на моделях текст и изображения. В цветных принтерах в дополнение к клеевой головке используются дополнительно одна или несколько головок, красящие порошок в нужный цвет. Клей с цветным оттенком или цветные чернила с целью экономии наносятся только на небольшую площадь поперечного сечения, которая станет стенкой или внешней поверхностью будущей модели. Кроме того, прозрачный клей наносится на поперечное сечение экономно — для повышения прочности внешних стенок на них наносится более плотный слой клея, чем на внутреннюю часть, где можно сэкономить без ущерба для результата.

D-печать и эко-система, которая сейчас создается вокруг нее — это огромная, пока еще не заполненная ниша для сотен и тысяч проектов. Пройдет еще не один год, пока технология популяризируется среди конечных покупателей, но для бизнеса — это уже реальность и сегодняшний день.

Итог на сегодня такой:

80% применения — прототипы, мелкие серии, опытные образцы, медицинские протезы и импланты, архитектурные макеты и ювелирные изделия, 20% — потребительские товары.