Що таке технологія 3D-друку - як це працює, застосунки та перешкоди

Ці революційні принтери все більше помітні в нашому повсякденному житті:

• Гармати. У 2013 році самодекларований «крипто-анархіст» Коді Вілсон сконструював, створив та надрукував пластиковий пістолет за допомогою технології 3D-друку. Коді вистрілив із пострілу та поширив файли CAD для зброї через Інтернет. До того, як американський уряд закрив сайт, було понад 100 000 завантажень. У травні 2014 року Йошитомо Імура був заарештований у Японії за володіння п'ятьма друкованими 3D-знаряддями.
• Косметика. На виставці TechCrunch Disrupt в Нью-Йорку в травні 2014 року випускниця Гарвардської MBA Грейс Чой продемонструвала Мінку, 3D-принтер вартістю менше 200 доларів, який поєднує затверджені FDA чорнила з різноманітними підкладками для створення будь-якого типу макіяжу: із порошків, до крему, до помади. За словами Чоя, "Великі макіяжні компанії беруть пігмент і субстрати і змішують їх разом, а потім піднімають ціну. Ми робимо те ж саме і дозволяємо вам нанести макіяж прямо у власному будинку ».
• Частини тіла. Згідно з доповіддю журналу TIME за 2013 рік, 3D-принтери вже вирізали з клітин тіла частини тіла, як вуха та ніс. Хоча на ранній стадії технологія є перспективною для косметичної та пластичної хірургії.
• Їжа. Массачусетський технологічний інститут розробив 3D-принтер для їжі під назвою «Корнукопія», а Французький кулінарний інститут використовує розроблений Корнеллом FabatHome для приготування їжі. Можливо, реплікатори їжі космічної епохи, зображені в "Зоряному шляху", не в майбутньому так далеко, як ми могли б подумати.
• Криміналістика та археологія. У телешоу "CSI: Нью-Йорк" 3D-друк використовується для тиражування кулі всередині тіла, щоб уникнути операції. Археологи можуть копіювати крихкі артефакти для дослідження, не пошкоджуючи оригінальні безцінні предмети. Наприклад, відвідувачі експозиції Discovery Time Square King Tut мали змогу побачити майже однакову 3D-друковану копію мумії від компанії Materialize.

Мікеланджело одного разу пояснив, що кожен камінь-камінь має в ньому статую, і це відкрити скульптуру. Після того, як художник зрозуміє тривимірне зображення, яке він шукає, його завдання - ретельно відрізати сторонній матеріал, щоб розкрити приховану структуру. Якби Мікеланджело зміг використовувати 3D-принтер, його творчий процес був би прямо протилежним: починаючи з нічого і поступово створюючи свій ментальний образ, додаючи речовини до тих пір, поки форма, яку він шукав, не буде завершена.

Як працює 3D-друк

Термін "3D-друк" є помилковим, оскільки мало подібності з двовимірним друком, за допомогою якого чорнило наноситься на папір. Однак процес схожий на друк тим, що в результаті відбувається скупчення різних шарів матеріалів, покладених послідовно в різні форми, щоб створити міцний тривимірний предмет. Більш точним описом було б "адитивне виготовлення", інший спосіб створення, ніж традиційне виробництво, який ґрунтується на видаленні твердого матеріалу з більшої неоформленої маси.

Процес починається з автоматизованого проектування (САПР) або 3D-сканера для перекладу моделі в цифрові, тривимірні вимірювання. Використовуючи вибраний матеріал (рідкий, порошковий, паперовий або листовий матеріал), кілька тонких шарів ставлять на місце і плавляться нагріванням, отверждением, центрируванням, ламінуванням або фотополімеризацією для створення єдиного об'єднаного об'єкта.

Технологія 3D-друку розвивалася протягом останнього третього століття; у звіті Patent Insight Pro за 2014 рік перелічено приблизно 2635 патентів, пов’язаних із технологією 3D-друку, що випускалися з початку 1970-х. Хоча кожен патент може бути конкретним щодо його заявок та обґрунтування для того, щоб вимагати видачі патенту, вони можуть бути класифіковані, грунтуючись на наступному:

• Визначений технологічний процес. В даний час в 3D-друкуванні застосовуються 33 різні процеси, починаючи від моделювання плавленим осадженням (FDM) - процес нагрівання термопластичних матеріалів до напіврідких станів, потім екструдування його шаром за шаром по керованому комп'ютером шляху - до стереолітографії, процес, коли ультрафіолетовий лазер твердне шаром рідкого фотополімеру, коли він піднімається або опускається платформою, зануреною в резервуар з рідким полімером, подібний до нанесення покриття після нанесення фарби, поки багатошаровий шар не призведе до готової частини.
• Матеріали, зазначені в патенті. Поки що видані патенти охоплюють 45 різних матеріалів, включаючи кераміку, глину, паладій, папір, гуму, срібло, титан та віск.
• Використання або застосування. Останнім підрахунком було щонайменше 22 комерційні програми 3D-друку, включаючи будівництво, оборону та харчову промисловість.

Стан індустрії 3D друку

Багато спостерігачів галузі стверджують, що відсутність проникнення на масові ринки на сьогоднішній день пояснюється великими патентами різних компаній та ймовірністю позовів щодо інтелектуальної власності. Попросту сказано, компанії не витратили ресурси для використання технології, бо бояться бути поданими до суду.

Цей бар'єр для конкуренції утримував нових учасників поза ринком та високими цінами; насправді занадто висока, щоб підтримувати масові ринки споживчих додатків. Оскільки багато патентів, що стосуються базової технології, закінчилися в 2013 році, а термін дії закінчився в 2014 та 2015 роках, можливо, вибух нових товарів та зниження цін на обладнання подібні до зниження інших електронних апаратних засобів, таких як телевізори, комп'ютери та мобільні телефони. Нижчі ціни вперше забезпечать широкий доступ до споживачів.

За словами Піта Базілієра, провідного аналітика Gartner з 3D-друку, переконливий додаток для споживачів - те, що можна створити вдома лише за допомогою 3D-принтера - з’явиться до 2016 року і матиме аналогічний вплив на 3D-принтери, як електронна таблиця для ПК або додавання камери до мобільного телефону. Звіт компанії Gridlogics Technologies проектує, що ця технологія стане масовим ринком, оскільки вона дозволить споживачам замінити або створити загальні побутові предмети, які зараз виробляються традиційними методами виготовлення, і включати пов'язані з цим витрати на маркетинг, логістику та обслуговування запасів. Чарльз У. Халл, творець першого 3D-принтера в середині 1980-х та співзасновник та головний директор з технологій 3D Systems, прогнозує, що галузь до кінця цього десятиліття становитиме 4,5 мільярда доларів..

Застосування 3D друку

Майбутнє використання 3D друку досі відкривається. Нижче наведено лише деякі з поточних застосувань, які зараз працюють, які, ймовірно, будуть спочатку загальними.

1. Медичні
За даними CNN, 3D-принтери вже використовуються дослідниками для друку крихітних смужок тканин органів (біодрук), а також лицьових придатків (вух і носів). Друковані органи, такі як нирка або печінка - наступний етап еволюції технології - можуть спочатку використовуватися для тестування на наркотики та вакцини і в кінцевому підсумку виробляти настільки потрібні органи для трансплантації.

Базілієр заявляє, "3D-засоби для біодруку з можливістю друкувати органи та тканини людини будуть просуватися набагато швидше, ніж загальне розуміння та прийняття наслідків цієї технології". У відповідь Майк Тітч, головний редактор 3D Printer World, стверджує: «Багато великих медичних проривів зазнали морального опору, від трансплантації органів до стовбурових клітин. Чи зможуть собі це дозволити лише багаті? Ми граємо в Бога? Зрештою, рятування життя, як правило, перевершує всі заперечення ».

2. Штучні кінцівки
Студенти Вашингтонського університету розробили протезну руку для 13-річної дівчини, яка втратила кінцівку в катастрофі на човні. Хоча не настільки просунуте, як інші протези, вартість 200 доларів за матеріали була значно нижчою за 6000 доларів за аналогічні пристрої, що є фактором, що виключає широке застосування у багатьох компаніях.

Кайлі Вікер з Рокленду, штат Іллінойс, народилася без пальців лівої руки, отримала операційний набір пластикових 3D-друкованих пальців вартістю 5 доларів і розроблена інженерним класом середньої школи. Канадський професор працює над процесом 3D-друку, щоб зробити протезні кінцівки для відправки в Уганду жертвам їх постійних громадянських воєн.

3. Мода
Мода використовувала 3D-друк для створення візуально приголомшливих суконь та аксесуарів, представлених на злітно-посадкових смугах Нью-Йоркського тижня моди 2013 року, а також унікального плаття "диму", відкритого на Франкфуртському міжнародному автосалоні 2013 року. Димове плаття автоматично створює завісу диму, коли хтось ступить в особистий простір власника.

Леді Гага носила перше в світі літаюче плаття - Volantis, ще одне плаття з 3D друком, на 2013 ArtRave. Континуум пропонує перший у світі готовий до носіння повністю 3D-друкований бікіні, N12, названий матеріалом, з якого його виготовлено: Нейлон 12.

4. Прототипи та тестові моделі
Oxfam International, міжнародна конфедерація з 17 організацій, які працюють над пошуком практичних, інноваційних способів, як люди можуть вийти з бідності, спільно з MyMiniFactory.com розробили інноваційні розробки для вирішення проблем гігієни води в країнах третього світу. Дизайн можна швидко надрукувати, протестувати та модифікувати перед тим, як перейти до масового виробництва. Незважаючи на те, що спонсори ще на початку, спонсори вважають, що швидке тестування нових пристроїв та можливі подальші модифікації за допомогою 3D-друку виявляться успішними в таких гуманітарних проектах, як пристрої для санітарії рук для поточних 2,4 мільйонів сирійських біженців, які проживають у переповнених несанітарних умовах.

Італійський винахідник Енріко Діні розробив 3D-принтер, відомий як D-Shape, який зв’язує частинки піску разом для створення осадового каменю. Кажуть, що принтер дозволяє будувати будівлю в чотири рази швидше, ніж звичайні засоби, за половину витрат. Urbee, гібридний автомобіль, розроблений Kor Ecologic, - це двомісний автомобіль, який досягає 200 миль за галон, за орієнтовною вартістю близько 20 000 доларів, і повністю виготовляється за допомогою 3D-друку.

5. Особисте користування
Люди зможуть друкувати на замовлення ювелірні вироби, предмети домашнього вжитку, іграшки та інструменти будь-якого розміру, форми чи кольору, а також мати змогу надрукувати запасні частини вдома, а не замовляти їх та чекати їх доставки . За даними дослідницької фірми Strategy Analytics, домашня 3D-друк може перетворитись на 70 мільярдів доларів на рік до 2030 року.

3D-принтери для їжі можуть навіть остаточно вирішити проблему змусити дітей їсти свої овочі, оскільки батьки матимуть можливість формувати їх у всілякі форми. Можливо, вибагливий малюк міг би переконатись їсти брюссельську капусту, якби їх готували у формі динозавра.

Перешкоди для 3D-друку

Незважаючи на те, що обіцянки 3D-принтерів є великими, є однаково значні перешкоди, які необхідно подолати, перш ніж досягти очікувань прихильників галузі..

1. Відсутність простих, недорогих споживчих принтерів
3D-принтери, що продаються менше ніж за 1000 доларів США, мають обмежені можливості, можуть бути важкими в експлуатації, можуть бути ненадійними та можуть використовувати ручну збірку. Незважаючи на те, що ці дефекти будуть врешті подолані, це може зайняти значні пробні помилки та час, перш ніж доступна доступна споживча модель.

У статті про стратегію + бізнес у 2013 році зазначається, що "незалежно від того, наскільки дешевим стає 3D-принтер, виробничий завод продовжить пропонувати масштабну економію сировини для друку артефакту". У статті також виникає питання, чи споживач буде використовувати 3D-принтер вдома, щоб зробити пластикову виделку або шаховий предмет, якщо він може придбати його у місцевого Walmart.

2. Відсутність відповідних матеріалів для друку
Принтери, які в даний час доступні за споживчими цінами (2500 доларів і менше), покладаються на технологію моделювання плавленого осадження та пластмаси PLA та ABS. Цей матеріал не міцний і обмежений у використанні. Експерти вважають, що наступному поколінню потрібно буде використовувати вуглецеві композити та метали, якщо це стане в нагоді середньому споживачеві.

Стаття 2014 року у британському The Telegraph насміхається над прихильниками нової технології, яка проголошує такі яскраві майбутні, зазначаючи, що навіть успішні домашні 3D-принтери "створюють моделі, схожі на те, що їх залишили на радіаторі на кілька годин". Письменник продовжує зазначати, що хоча все дуже добре завантажувати частини зброї до Інтернету, але без засобів для металочерепиці (у 3D-принтерів для споживачів ємності ще немає), "це швидше зняти руку, ніж куля вистріли ».

3. Потреба в знаннях CAD Design
Хоча файли для різних об’єктів, що завантажуються, доступні з таких сайтів, як Thingiverse та Shapeways, вони, як правило, є технічними та можуть бути сумісні з кожним 3D-принтером. Через маркетинговий галас, що стосується принтерів, вони можуть бути зображені легшими в експлуатації, ніж досвід реальних користувачів.

Том Мікс, дописуючий блог користувачів 3D-принтерів, зазначає паралель між 3D-принтерами та системою виробництва кофеварок Keurig та важливість дизайну споживачів та простоти користування, зазначивши, що Keurig знадобилося 16 років, щоб здобути ринок, який він отримав сьогодні. І слід визнати, що кавових напоїв набагато більше, ніж потенційних користувачів 3D-принтерів. Експерти з маркетингу вважають, що принтери повинні працювати настільки ж просто, як звичайні лазерні або крапкові матричні принтери, якщо вони мають знайти широке визнання.

4. Повільний, безладний та потенційно небезпечний
Хоча ідеально підходить для унікальних або складних, дорогих предметів, принтери занадто повільні для масового виготовлення. Використовувані матеріали та їх викиди під час використання, особливо порошки, можуть бути брудними та потенційно токсичними. Нарешті, сучасні 3D-принтери, що використовують пластик PLA, працюють при дуже високій температурі (від 220 до 230 градусів). Хоча ці проблеми не є непереборними, для їх подолання знадобиться час та інвестиції.

Заключне слово

Чи впливатимуть 3D-принтери на телебачення, комп’ютер чи мобільний телефон, як очікують його прихильники, невідомо. З розвитком технології можливості та переваги нескінченні. Безумовно, це технологія, яку проникливий споживач усвідомлює і готовий до використання в міру дозрівання та перетворення у споживчий продукт.

Що ти думаєш? Ви зацікавлені у володінні 3D-принтером?