XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Компьютерные технологии играют всё большую роль в нашей жизни. Но грань между реальным миром и виртуальным миром остаётся, хоть и уже полупрозрачная. Если речь идет о тексте, картинках, звуке – то принтеры, сканеры колонки и прочие инструменты для вывода информации сути уже стали часто обыденным. То, что не имеет предметный объём, не вызывает сложности в выводе. А что же с объёмным данными? И тут уже есть то, что может позволить нам выводить виртуальные 3D-предметы в реальность. Однако в случае с трехмерными физическими объектами все намного сложнее, так что нельзя назвать это распространённым. Но с каждым годом воз обросли расширяются, и если 10 лет назад 3D-принтеры были уделом привилегированных, то сейчас они стали более чем доступными.

История 3D-печатания

Американский исследователь Чак Халл, ещё тогда, в 20-м веке, в 1986 году дал начало технологии 3D-печатания. Он представил публике некую «установку для стереолитографии».

В том же веке, в 1998 году, Скотт Крамп изобрёл новый подход к работе с 3D-печатью: FDM. Основана она на моделировании, способом декомпозиции материала. Этот способ лежит и в основе современных 3D-принтеров, которые предназначены для малого использования. Работа хоть и велась с 1980-ых годов, но называть это «3D-печатью» стали лишь в 1995 году, в технологическом институте Массачусетса. В 1996 году был создан аппарат Actua 2100 компанией 3D Systems, после чего и появился термин «3D-принтер». Первые 3D-принтеры были маломощны, медленны, а при наращивание темпа работы выдавали значительные погрешности.

3D-принтеры высокого качества печати были представлены миру толко в 2005 году.

Принтер Reprap, созданный в 2008 году, мог напечатать сам себя. На тот момент он мог изготавливать около 50 % необходимых деталей. До этого же года материалом любого принтера для 3D-печати был только пластик АВС, являющийся лучшим расходником. Однако Objet Geometries Ltd. предложила свой Connex500, с возможностью работы с различными видами материалов, и на сегодняшний день количество видов используемого сырья более сотни.

Инженер Джим Кор, в 2010 году, устроил показ автомобиля Urbee с корпусом, созданный полностью 3D-печатью. В этот же год Organovo. Inc рассказала, что 3D-печать можно использовать для создвния искусственных кровеносных сосудов. Раньше о применении в медицине не шло речи, но на сегодняшний день многие больные были спасены благодаря введению 3D-имплантов.
В 2011 году уже напечатали самолёт. Инженеры Университета Саутгемптона рассказывали, что сложнее проектировать, чем производить. Модель 3D-самолета отлично себя показала на относительно больших скоростях.

Тем же годом ребята из Венского Технологического Университета выдвинули самый маленький, лёгкий и дешёвый по стоимости печати 3D-принтер. Модель работала по технологии фотополимеризации светочувствительной смолы. Вес - 1,5 килограмма. Стоимость - приблизительно 1200 евро.

Технологии 3D-печати

3D-принтер — устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной модели. Модели, что печатаются на 3D-принтере, производятся в три плоскости. Объект создаётся уровнями снизу вверх. За это и получило название - 3D-печать. Способы может быт совершенно разные и разные материалы могут использоваться, но всё-равно объект содаётся послойной печати. Разрешение этих принтеров между 328 x 328 x 606 DPI (xyz) и 656 x 656 x 800 DPI (xyz). Точность варируется от 0.025 mm до 0.05 mm. Размер продукта более 737 mm x 1257 mm x 1504 mm.

3D-печать нужна для создания прототипа объекта, дабы его можно было ближе рассмотреть, прощупать. Ведь и правда, стоимость разработки сложного продукта может очень сильно снизиться, если инженерам дать посмотреть модель вживую, на которой можно проводить тесты, которые нельзя проводить на итоговом продукте. К тому же, производить такую модель можно в кратчайшие сроки. Существует целая индустрия быстрого прототипирования, занимающаяся разработкой и использованием технологий 3D-печати. Но помимио прототипирования можно наладит и быстрое производство. Это отличное решение для производства в малых объёмах. Некоторые технологии могут печатать формы для литья - ну а дальше процесс уже налажан.

3D-печать может производиться различными методами. Применяют две технологии для формирования слоёв:

1. Лазерная.

1)Лазерная стереолитография - ультрафиолетовый лазер потихоньку засвечивает жидкий фотополимер. Он меняет свои свойства от воздействия света на него. Так же фотополимер могут засвечивать ультрафиолетовой лампой через фотошаблон. Жидкий полимер затвердевает, превращаясь в прочный пластик.

2) Лазерное сплавление - лазер сплавляет порошок из металла или пластика послойно в контур будущего объекта.

3) Ламинирование — модель создаётся из множества слоёв используемого материала, которые уровень за уровнем накладываются друг на друга и склеиваются, а лазер вырезает контур сечения будущей детали в каждом из них.

2. Струйная.

1) При охлаждении материал застывает, потом раздаточная головка выдавливает на охлаждённую платформу-основу капли термопластика. За счёт их быстрого остывания и формируется будущая деталь.

2) Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы. Этот способ похож на предыдущий, но затвердевание тут происходит под ультрафиолетом.

3) Склеивание порошкообразного материала. Способ схож с лазерным склеиванием, однако порошок (как измельченной бумаги или целлюлозы) спекается некой жидкостью, подающейся из струйной головки. Возможно даже использование различных цветов для материала.

4) Густые керамические смеси тоже используются в качестве самотвердеющего материала для печати больших архитектурных моделей.

Категории 3D-принтеров

Пищевые 3D-принтеры

Существует много разных моделей пищевых принтеров. Но эти принтеры не многозадачны, определённая модель делает определённый продукт. Например, есть 3D-принтер, делающий буррито (Burritob0t 3D printer).

3D-принтеры военного применения

Кроме еды, оказывается, экономичнее и разумнее печатать таким образом ракетные двигатели. Помимо всего, соображения на этот счёт уже воплощены у некоторых компаний, в том числе у NASA, которые производят составные части этих двигателей. Так же оказалось, что таким образом можно печатать и полностью рабочее оружие. Разработчик Коди Уилсон со своей группой даже показали на примере оружия М-4 всю перспективность технологии 3D-печати и их доступность для самых различных целей.

Строительные 3D-принтеры

В принтерах этого типа используется технология экструдирования, суть которой заключается в выдавливание одного слоя поверх другого. Разрешение у такой печати невысоко, но не особо это и страшно, ибо в дальнейшем нет трудностей в обработке и чистке. Преимущество заключается в том, что бетону без труда можно придать абсолютно любую форму, сокращая усилия и время работы. С помощью 3D-печати можно создавать необычные и нестандартные дома с уникальными элементами в конструкций.

Медицинские 3D-принтеры

Компания Oxford Performance Materials провела успешную операцию, в ходе которой больному в череп был внедрён имплант, созданный на основе модели скана 3D-сканера. Программа высчитала все особенности болезни пациента. При всём этом, напечатанный череп не просто какая-то единая пластмассовая модель, каждая (из 23) косточка в черепе печаталась отдельно с самой мелкой детализацией, после чего собирался весь череп. После получения скана печать производилась 2 недели. Благодаря 3D-печати создаются многие протезы с индивидуальным подходом к решению проблемы пациента.

Анализ развития 3D-печатания

Как мы видим, 3D-печать очень востребована в различных сферах. Да, есть проблемы со скоростью, затратами и размером, но со временем производители преодолевают их.

Так какое же отношение к 3D-принтерам? Разберём плюсы и минусы:

Положительные эффекты:

- быстрое производство продукции;

- производство сложных деталей становится значительно проще;

- увеличенный спрос на продукцию;

- 3D-печать используется в образовательных учреждениях для лучшего восприятия и усвоения структур;

- доступность каждому при создании или производстве;

- возможность массовому производству снизить стоимость продукта за счёт снижения затрат;

- появление новой сферы для производства и поставки материалов для 3D-принтеров;

- новые возможности для предпринимателей в различных сферах (космос, медицина, оружие и т.д.);

Отрицательные эффекты:

- растёт колличество мусора, там самым загрязняя окружающую среду;

- так как при послойной печати детали получаются не идентичными (плотность, частичность огрехов при наложении материала) это вызывает некие затруднения при массовом производстве, что ограничивает колличество возможных продуктов;

- число рабочих мест может снизится из-за ненадобности и альтернативной замены.

Так что же можно сказать в заключении про 3D-принтеры? Да то, что это – технология, в которой ощущается приход будущего уже сегодня.