Какво е технологията за 3D печат - как работи, приложения и пречки

Тези революционни принтери са все по-видими в ежедневието ни:

• Guns. През 2013 г. самодекларираният „крипто-анархист“ Коди Уилсън проектира, създаде и отпечата пластмасов пистолет чрез технология за 3D печат. Коди изстреля и разпространи CAD файловете за пистолета по интернет. Имаше повече от 100 000 изтегляния преди правителството на САЩ да затвори сайта. През май 2014 г. Йошитомо Имура беше арестуван в Япония, притежавайки пет 3D печатни оръдия.
• Козметика. По време на шоуто TechCrunch Disrupt в Ню Йорк през май 2014 г., възпитаничката на MBA от Harvard Грейс Чой демонстрира Mink, 3D принтер, струващ по-малко от $ 200, който комбинира одобрено от FDA мастило с различни субстрати за създаване на всякакъв вид грим от пудри, към крем, до червило. Според Чой „Големите компании за грим вземат пигмента и субстратите и ги смесват заедно и след това повишават цената. Правим същото и ви позволяваме да нанесете грима в собствената си къща. "
• Части на тялото. Според доклад от 2013 г. от списание TIME, 3D принтерите вече издълбават части от тялото като уши и носове от телесни клетки. Докато е в начален стадий, технологията е обещаваща за козметична и пластична хирургия.
• Храна. Масачузетският технологичен институт е разработил 3D принтер за храна, наречен „Cornucopia“, а Френският кулинарен институт използва разработения от Cornell FabatHome за приготвяне на храна. Може би репликаторите на храна от космическата епоха, изобразени в „Звездното пътуване“, не са толкова далечни в бъдещето, колкото може би смятаме.
• Криминалистика и археология. В телевизионното предаване "CSI: Ню Йорк", 3D печатът се използва за копиране на куршум в тялото, за да се избегне операция. Археолозите могат да копират крехки артефакти за изследване, без да повредят оригиналните безценни предмети. Например, посетителите на експозицията на Discovery Time Square King Tut успяха да видят почти идентична 3D печатна реплика на мумията от компанията Materialize.

Микеланджело веднъж обясни, че всеки каменен блок има статуя в него и задача на скулптурата е да го открие. След като художникът разбира триизмерното изображение, което търси, неговата задача е внимателно да отреже външния материал, за да разкрие скритата структура. Ако Микеланджело беше в състояние да използва 3D принтер, неговият творчески процес щеше да е точно обратното: да започне с нищо и постепенно да създаде своя ментален образ, добавяйки вещество, докато търсената форма не бъде завършена.

Как работи 3D печатът

Терминът „3D печат“ е неправилно, тъй като има малко сходство с двуизмерния печат, при което мастилото се прилага върху хартия. Процесът обаче е подобен на печат, тъй като резултатът е натрупването на различни слоеве материали, положени последователно в различни форми, за да се създаде солиден триизмерен обект. По-точното описание би било „адитивно производство“, различен метод на създаване от традиционното производство, който се основава на отстраняването на твърд материал от по-голяма необработена маса.

Процесът започва с компютърно проектиран дизайн (CAD) или 3D скенер за превеждане на модел в цифрови, триизмерни измервания. Използвайки избрания материал (течност, прах, хартия или листов материал), много тънки слоеве се поставят на място и се сливат чрез нагряване, втвърдяване, центриране, ламиниране или фотополимеризация, за да се направи един обединен обект.

Технологията на 3D печат се е развила през последния трети век; доклад за Patent Insight Pro за 2014 г. изброява приблизително 2635 патента, свързани с технологията за 3D печат, издадени от началото на 70-те години. Въпреки че всеки патент може да бъде специфичен по отношение на своите претенции и обосновка, за да гарантира издаването на патент, те могат да бъдат категоризирани по следния начин:

• Идентифициран технологичен процес. Понастоящем има 33 различни процеси, използвани в 3D печат, вариращи от моделиране на кондензирано отлагане (FDM) - процес на нагряване на термопластични материали до полутечни състояния, след което се екструдира слой по слой по компютърно контролиран път - до стереолитография, процес, при който ултравиолетовият лазер втвърдява слой от течен фотополимер, когато той се повдига или спуска от платформа, потопена в резервоар с течен полимер, подобен на нанасяне на слой след слой боя, докато множеството слоеве доведат до завършената част.
• Материали, посочени в патента. Досега издадените патенти обхващат 45 различни материали, включително керамика, глина, паладий, хартия, каучук, сребро, титан и восък.
• Използване или приложение. По последно преброяване имаше поне 22 търговски приложения на 3D печат, включително строителната, отбранителната и хранителната промишленост.

Състояние на индустрията за 3D печат

Много наблюдатели в индустрията твърдят, че липсата на навлизане на масовите пазари досега се дължи на обширните патенти на различни компании и вероятността от съдебни дела за интелектуална собственост. Просто казано, компаниите не са изразходвали ресурсите за експлоатация на технологията, защото се страхуват да не бъдат съдени.

Тази бариера пред конкуренцията запази новите участници извън пазара и високите цени; всъщност твърде високо, за да подкрепи потребителските приложения на масовия пазар. Тъй като много от патентите, обхващащи основната технология, са изтекли през 2013 г. и повече изтичат през 2014 и 2015 г., вероятно ще има експлозия на нови продукти и намаляване на цените на оборудването, подобно на спада в други електронни хардуер, като телевизори, компютри и мобилни телефони. По-ниските цени за първи път ще осигурят достъп на потребителите на широка основа.

Според Пийт Базилиер, водещият анализатор на Gartner за 3D печат, завладяващо потребителско приложение - нещо, което може да бъде създадено само у дома от 3D принтер - ще се появи до 2016 г. и ще има подобно въздействие върху 3D принтери като електронната таблица за компютъра или добавяне на камера към мобилен телефон. Доклад на Gridlogics Technologies проектира, че технологията ще се превърне в продукт на масовия пазар, защото ще даде възможност на потребителите да заменят или създават общи предмети за бита, които сега се произвеждат с традиционните производствени методи и включват свързаните с тях разходи за маркетинг, логистика и поддръжка на инвентара. Чарлз У. Хъл, създателят на първия 3D принтер в средата на 80-те години и съоснователят и главен технологичен директор на 3D Systems, прогнозира, че до края на това десетилетие индустрията ще бъде бизнес на стойност 4,5 милиарда долара..

Приложения на 3D печат

Бъдещите приложения на 3D печат все още се откриват. По-долу са само някои от текущите приложения, които понастоящем са в процес на работа, които най-напред ще бъдат общо използвани.

1. Медицински
Според CNN, 3D принтери вече се използват от изследователите за отпечатване на миниатюрни ленти от тъкани на органи (биопечат), както и лицеви придатъци (уши и носове). Отпечатани органи като бъбрек или черен дроб - следващият етап от развитието на технологията - биха могли да се използват първоначално за тестване на лекарства и ваксини и в крайна сметка да се създадат много необходими органи за трансплантации.

Базилиер заявява, "3D съоръжения за биопечат с възможност за отпечатване на човешки органи и тъкани ще напредват много по-бързо, отколкото общо разбиране и приемане на последствията от тази технология." В отговор Майк Тич, главен редактор на 3D Printer World, твърди: „Много големи медицински пробиви претърпяха морална устойчивост, от трансплантация на органи до стволови клетки. Само богатите ще могат ли да си го позволят? Играем ли Бог? В крайна сметка спасяването на животи има тенденция да коства всички възражения. "

2. Изкуствени крайници
Студентите от Вашингтонския университет разработиха протезна ръка за 13-годишно момиче, загубило крайника си при катастрофа с лодка. Въпреки че не са толкова напреднали като други протези, цената на 200 долара за материали е значително под цената от 6000 долара за подобни устройства, фактор, който възпрепятства широкото приложение в много компании.

Кайли Уикър от Рокленд, Илинойс, родена без пръсти на лявата си ръка, получи операционен комплект от пластмасови 3D отпечатани пръсти на цена 5 долара и проектирана от гимназиален клас по инженерство. Канадски професор работи над процес на 3D печатане, за да направи протезирани крайници, които да бъдат изпратени в Уганда за жертви на постоянните им граждански войни.

3. Мода
Fashion използва 3D принтиране, за да създаде визуално зашеметяващи рокли и аксесоари, представени на пистите на New York Fashion Week 2013, както и уникална рокля „дим“, разкрита на международното автомобилно изложение във Франкфурт 2013 г. Димната рокля автоматично създава воал от дим, когато някой стъпи в личното пространство на потребителя.

Лейди Гага носеше първата летяща рокля в света - Volantis, още една рокля с 3D печатане, на ArtRave от 2013 г. Continuum предлага първите в света напълно готови за носене, изцяло 3D печатани бикини, N12, наречен за материала, от който са направени: Nylon 12.

4. Прототипи и тестови модели
Oxfam International, международна конфедерация от 17 организации, работещи за намиране на практически иновативни начини хората да се избавят от бедността, се обедини с MyMiniFactory.com за разработване на иновативни дизайни за решаване на проблемите на хигиената на водата в страните от Третия свят. Дизайните могат бързо да бъдат отпечатани, тествани и модифицирани, преди да ги преместите в масово производство. Въпреки че е все още рано в процеса, спонсорите вярват, че бързото тестване на нови устройства и последващи модификации, възможно с 3D печат, ще се окаже успешна в такива хуманитарни проекти като устройства за саниране на ръце за настоящите 2,4 милиона сирийски бежанци, живеещи в пренаселени, несанитарни условия.

Италианският изобретател Енрико Дини е разработил 3D принтер, известен като D-Shape, който свързва пясъчните частици заедно, за да създаде утаечен камък. Твърди се, че принтерът позволява изграждането на сграда четири пъти по-бързо от конвенционалните средства за половината от разходите. Urbee, хибриден автомобил, проектиран от Kor Ecologic, е двуместен, който достига до 200 мили на галон с приблизителна цена около 20 000 долара и е изцяло произведен чрез 3D печат.

5. Лична употреба
Хората ще могат да отпечатват бижута, стоки за бита, играчки и инструменти по желания размер, форма или цвят, както и да могат да отпечатват резервни части у дома, а не да ги поръчват и чакат да бъдат доставени , Според изследователската фирма Strategy Analytics, домашният 3D печат може да се превърне в индустрия от 70 милиарда долара годишно до 2030 година.

3D принтери за храна може дори най-накрая да решат проблема с това децата да ядат зеленчуците си, тъй като родителите ще имат възможността да ги оформят във всякакви форми. Може би фин малко дете може да бъде убедено да яде брюкселско зеле, ако се приготви във формата на динозавър.

Пречки за 3D печат

Въпреки че обещанието за 3D принтери е значително, има също толкова значителни пречки, които трябва да бъдат преодолени, преди да достигне очакванията на привържениците на индустрията.

1. Липса на прости, евтини потребителски принтери
3D принтерите, продаващи се за по-малко от 1000 долара, имат ограничени възможности, могат да бъдат трудни за работа, могат да бъдат ненадеждни и могат да изискват използване на ръцете. Въпреки че тези дефекти в крайна сметка ще бъдат преодолени, може да отнеме значителни пробни грешки и време, преди да бъде наличен достъпен потребителски модел.

Статия от 2013 г. в стратегия + бизнес отбелязва, че „независимо от това колко евтин става 3D принтер, производственият завод ще продължи да предлага мащабна икономия на суровините за отпечатване на артефакта“. Статията също поставя въпроса дали потребителят ще използва 3D принтер у дома, за да направи пластмасова вилица или шахматно парче, ако може да го купи от местния Walmart.

2. Липса на подходящи материали за печат
Принтерите, които понастоящем се предлагат на потребителски цени (2500 долара и по-малко), разчитат на технологията за моделиране на стопяеми отлагания и PLA и ABS пластмаси. Този материал не е здрав и е ограничен в използваемостта. Експертите смятат, че следващото поколение ще трябва да използва въглеродни композити и метали, ако това ще бъде полезно за обикновения потребител.

Статия от 2014 г. в британския The Telegraph се присмива на защитници на новата технология, които обявяват толкова ярки бъдещи неща, отбелязвайки, че дори успешните домашни 3D принтери „създават модели, които изглеждат така, сякаш са останали на радиатора за няколко часа“ Писателят продължава да отбелязва, че макар да е много добре да качвате оръжейни части в интернет, но без средствата за метални (3D принтери, които потребителят все още няма), „по-вероятно е да свалите ръката си, отколкото изстреля куршум. "

3. Необходимост от познания за CAD Design
Докато файлове за сваляне за различни обекти са достъпни от сайтове като Thingiverse и Shapeways, те обикновено са технически и може да не са съвместими с всеки 3D принтер. Поради маркетинговия сръб около принтерите, те могат да бъдат изобразени като по-лесни за работа от опита на реалните потребители.

Том Мийкс, сътрудник на блога за потребители на 3D принтери, отбелязва паралела между 3D принтери и системата за кафемашини Keurig и важността на потребителския дизайн и лекотата на използване, отбелязвайки, че на Keurig са били необходими 16 години, за да спечели приемането на пазара днес. И трябва да се признае, че има много повече поилки за кафе от потенциалните потребители на 3D принтери. Маркетинговите експерти смятат, че принтерите трябва да са толкова прости за работа като конвенционалните лазерни или точкови матрични принтери, ако искат да намерят широко приемане.

4. Бавно, разхвърляно и потенциално опасно
Макар и перфектни за един вид по вид или сложни скъпи предмети, принтерите са твърде бавни за масово производство. Използваните материали и техните емисии по време на употреба, особено праховете, могат да бъдат объркани и потенциално токсични. И накрая, настоящите 3D принтери, използващи PLA пластмаса, работят при много високи температури (220 до 230 градуса). Въпреки че тези проблеми не са непреодолими, ще им е нужно време и инвестиции за преодоляване.

Заключителна дума

Дали 3D принтерите ще окажат въздействието на телевизията, компютъра или мобилния телефон, както се очаква от неговите защитници, не е известно. С развитието на технологията възможностите и ползите са безкрайни. Това със сигурност е технология, която проницателният потребител би бил наясно и готов да се използва, тъй като узрява и се превръща в потребителски продукт.

Какво мислиш? Интересувате ли се от притежаване на 3D принтер?