Čo je technológia 3D tlače - ako to funguje, aplikácie a prekážky

Tieto revolučné tlačiarne sú stále viditeľnejšie v našom každodennom živote:

• zbrane. V roku 2013 navrhol, vytvoril a vytlačil plastovú pištoľ pomocou 3D tlačiarenskej technológie „kryptoanarchista“ Cody Wilson. Cody vystrelil strelu a distribuoval CAD súbory pre zbraň cez internet. Pred tým, ako vláda USA uzavrela tento web, došlo k viac ako 100 000 stiahnutiam. V máji 2014 bol Yoshitomo Imura v Japonsku zatknutý z držby piatich 3D tlačených zbraní.
• kozmetika. Na výstave TechCrunch Disrupt v New Yorku v máji 2014 predstavil absolvent Harvard MBA Grace Choi 3D tlačiareň s cenou nižšou ako 200 dolárov, ktorá kombinuje atrament schválený FDA s rôznymi substrátmi a vytvára akýkoľvek typ make-upu z práškov, na krém, na rúž. Podľa Choi „Veľké makeupové spoločnosti berú pigment a substráty a zmiešajú ich dohromady a potom zdvihnú cenu. Robíme to isté a my vám dáme makeup priamo vo vašom vlastnom dome. “
• Časti tela. Podľa správy časopisu TIME z roku 2013 3D tlačiarne už vyrezávajú časti tela, ako sú uši a nosy z telových buniek. V skorom štádiu je táto technológia sľubná pre kozmetickú a plastickú chirurgiu.
• jedlo. Technologický inštitút v Massachusetts vyvinul 3D tlačiareň pre potraviny s názvom „Cornucopia“ a francúzsky kulinársky inštitút používa na prípravu potravín FabatHome vyvinutý spoločnosťou Cornell. Možno, že replikátory potravín vo vesmíre znázornené v Star Trek nie sú v budúcnosti také vzdialené, ako by sme si mohli myslieť..
• Forenzná a archeológia. V televíznej show „CSI: New York“ sa 3D tlač používa na replikáciu guľky v tele, aby sa predišlo operácii. Archeológovia dokážu replikovať krehké artefakty na štúdium bez toho, aby poškodili pôvodné neoceniteľné objekty. Napríklad návštevníci výstavy Discovery Time Square King Tut si mohli pozrieť takmer identickú 3D tlačenú repliku múmie od spoločnosti Materialize..

Michelangelo kedysi vysvetlil, že v každom kamennom bloku je socha, a je úlohou plastiky objaviť ho. Keď umelec pochopí trojrozmerný obraz, ktorý hľadá, jeho úlohou je opatrne odtrhnúť cudzí materiál a odhaliť skrytú štruktúru. Keby bol Michelangelo schopný používať 3D tlačiareň, jeho tvorivý proces by bol presne opačný: počínajúc ničím a postupne si vytváral mentálny obraz pridaním látky, až kým nebola požadovaná forma úplná..

Ako funguje 3D tlač

Pojem „3D tlač“ je nesprávne pomenovanie, pretože existuje malá podobnosť s dvojrozmernou tlačou, pri ktorej sa atrament nanáša na papier. Proces je však podobný tlači, pretože výsledkom je hromadenie rôznych vrstiev materiálov, ktoré sa postupne ukladajú do rôznych tvarov, aby sa vytvoril pevný trojrozmerný objekt. Presnejším opisom by bola „výroba aditív“, čo je iný spôsob výroby ako tradičná výroba, ktorá je založená na odstránení pevného materiálu z väčšej netvarovanej hmoty..

Proces začína návrhom podporovaným počítačom (CAD) alebo trojrozmerným skenerom na prevod modelu do digitálnych trojrozmerných meraní. Použitím vybraného materiálu (tekutý, práškový, papierový alebo listový materiál) sa na miesto umiestni niekoľko tenkých vrstiev, ktoré sa spoja zahriatím, vytvrdením, centrovaním, lamináciou alebo fotovou polymerizáciou, čím vznikne jediný unifikovaný objekt..

Technológia 3D tlače sa vyvinula v priebehu posledného tretieho storočia; správa Patent Insight Pro z roku 2014 uvádzala približne 2 635 patentov týkajúcich sa technológie 3D tlače, ktoré boli vydané od začiatku sedemdesiatych rokov. Aj keď každý patent môže byť špecifický, pokiaľ ide o jeho patentové nároky a opodstatnenie na vydanie patentu, možno ich všeobecne kategorizovať na základe týchto údajov:

• Identifikovaný technologický proces. V súčasnosti sa v 3D tlači používa 33 rôznych procesov, od modelovania taveného nanášania depozície (FDM) - proces zahrievania termoplastických materiálov do polotekutých stavov, ktoré sa potom extrudujú po vrstvách pozdĺž počítačom riadenej cesty - po stereolitografiu, proces, pri ktorom ultrafialový laser vytvrdzuje vrstvu tekutého fotopolyméru, keď je zvýšený alebo znížený platformou ponorenou v nádrži s kvapalným polymérom podobnou nanášacej vrstve po nanesení farby, až kým viacnásobné vrstvy nevytvoria hotovú časť..
• Materiály uvedené v patente. Doteraz vydané patenty pokrývajú 45 rôznych materiálov vrátane keramiky, ílu, paládia, papiera, gumy, striebra, titánu a vosku..
• Použitie alebo aplikácia. V konečnom dôsledku existovalo najmenej 22 komerčných aplikácií 3D tlače vrátane stavebného, ​​obranného a potravinárskeho priemyslu.

Stav odvetvia 3D tlače

Mnoho pozorovateľov v priemysle tvrdí, že nedostatočný prienik na masové trhy bol doteraz spôsobený rozsiahlymi patentmi rôznych spoločností a pravdepodobnosťou súdnych sporov o duševné vlastníctvo. Zjednodušene povedané, spoločnosti nevynakladajú zdroje na využívanie technológie, pretože sa obávajú žalovania.

Táto prekážka hospodárskej súťaže udržala nových účastníkov na trhu a vysoké ceny; príliš vysoká na podporu spotrebiteľských aplikácií na veľkom trhu. Keďže platnosť mnohých patentov týkajúcich sa základných technológií uplynula v roku 2013 a viac v rokoch 2014 a 2015, je pravdepodobné, že dôjde k výbuchu nových výrobkov a zníženiu cien zariadení podobným poklesu iného elektronického hardvéru, ako sú televízory, počítače. a mobilné telefóny. Nižšie ceny prvýkrát poskytnú spotrebiteľom prístup na širokom základe.

Podľa Pete Basiliere, popredného analytika 3D tlače spoločnosti Gartner, sa do roku 2016 objaví presvedčivá spotrebiteľská aplikácia - niečo, čo doma dokáže vytvoriť iba 3D tlačiareň - a bude mať podobný dopad na 3D tlačiarne ako tabuľka pre PC alebo pridanie kamery do mobilného telefónu. V správe spoločnosti Gridlogics Technologies sa uvádza, že táto technológia sa stane predmetom hromadného trhu, pretože umožní spotrebiteľom nahradiť alebo vytvoriť bežné predmety pre domácnosť, ktoré sa teraz vyrábajú tradičnými výrobnými metódami, a zahŕňa súvisiace náklady na marketing, logistiku a údržbu zásob. Charles W. Hull, tvorca prvej 3D tlačiarne v polovici osemdesiatych rokov a spoluzakladateľ a hlavný technologický riaditeľ spoločnosti 3D Systems, predpovedá, že do konca tohto desaťročia bude tento podnik obchodom so 4,5 miliardami dolárov..

Aplikácie 3D tlače

Budúce využitie 3D tlače sa stále objavujú. Toto sú len niektoré zo súčasných aplikácií, ktoré sa v súčasnosti pripravujú a ktoré sa zvyčajne používajú ako prvé.

1. Lekárske
Podľa CNN vedci už používajú 3D tlačiarne na tlačenie malých prúžkov tkanív orgánov (bioprinting), ako aj dodatkov tváre (uši a nosy). Tlačené orgány, ako sú obličky alebo pečeň - čo je ďalšia etapa vývoja technológie - by sa mohli spočiatku použiť na testovanie liekov a vakcín a nakoniec na výrobu transplantátov potrebných orgánov..

Bazilejské štáty tvrdia, že „zariadenia na biopríslušenstvo 3D so schopnosťou tlačiť ľudské orgány a tkanivá sa budú vyvíjať oveľa rýchlejšie, ako je všeobecné porozumenie a akceptácia dôsledkov tejto technológie.“ V reakcii na to Mike Titsch, šéfredaktor 3D Printer World, tvrdí: „Mnoho veľkých lekárskych objavov utrpelo morálnu odolnosť, od transplantácií orgánov po kmeňové bunky. Budú si to môcť dovoliť iba bohatí? Hráme Boha? Nakoniec, záchrana životov má tendenciu prekonať všetky námietky. “

2. Umelé končatiny
Študenti Washingtonskej univerzity vyvinuli protetickú ruku pre trinásťročné dievča, ktoré pri nehode pri člne prišlo o končatinu. Aj keď to nie je také pokročilé ako iné protetiky, cena 200 dolárov za materiály bola podstatne nižšia ako cena 6 000 dolárov za podobné zariadenia, čo je faktor, ktorý vylučuje rozsiahlu aplikáciu v mnohých spoločnostiach..

Kylie Wicker z Rocklandu, Illinois, narodená bez prstov na ľavej ruke, dostala operačnú súpravu plastových 3D tlačených prstov za cenu 5 dolárov navrhnutú strednou školou strojárstva. Kanadský profesor pracuje na procese 3D tlače, aby sa protetické končatiny poslali do Ugandy pre obete ich pretrvávajúcich občianskych vojen..

3. Móda
Móda využila 3D tlač na vytvorenie vizuálne ohromujúcich šiat a doplnkov prezentovaných na dráhach New York Fashion Week 2013, ako aj jedinečné „dymové“ šaty predstavené na medzinárodnom autosalóne vo Frankfurte v roku 2013. Dymové šaty automaticky vytvárajú závoj dymu vždy, keď niekto vstúpi do osobného priestoru nositeľa.

Na výstave ArtRave 2013 mala Lady Gaga na svete prvé lietajúce šaty, ďalšie šaty s potlačou 3D, Volantis. Continuum ponúka na svete prvé pripravené bikiny s úplným 3D tlačením, model N12, pomenovaný pre materiál, z ktorého bol vyrobený: Nylon 12.

4. Prototypy a testovacie modely
Oxfam International, medzinárodná konfederácia 17 organizácií, ktoré sa snažia nájsť praktické a inovatívne spôsoby, ako sa ľudia môžu dostať z chudoby, sa spojila so spoločnosťou MyMiniFactory.com s cieľom vyvinúť inovatívne návrhy na riešenie problémov hygieny vody v krajinách tretieho sveta. Dizajn je možné rýchlo vytlačiť, otestovať a upraviť pred presunom do hromadnej výroby. Aj keď je tento proces stále na začiatku, sponzori veria, že rýchle testovanie nových zariadení a možné následné úpravy pomocou 3D tlače sa ukážu ako úspešné v takých humanitárnych projektoch, ako sú zariadenia na hygienu rúk pre súčasných 2,4 milióna sýrskych utečencov žijúcich v preplnených nehygienických podmienkach..

Taliansky vynálezca Enrico Dini vyvinul 3D tlačiareň, známu ako D-Shape, ktorá spája pieskové častice a vytvára sedimentárny kameň. Uvádza sa, že tlačiareň umožňuje výstavbu budovy štyrikrát rýchlejšie ako bežné prostriedky za polovicu nákladov. Urbee, hybridný automobil navrhnutý spoločnosťou Kor Ecologic, je dvojmiestny automobil s odhadovanými nákladmi okolo 20 000 dolárov, ktorý sa odhaduje na 20 000 dolárov za galón, a je úplne vyrobený 3D tlačou..

5. Osobné použitie
Ľudia budú môcť tlačiť vlastné šperky, domáce potreby, hračky a nástroje na ľubovoľnú veľkosť, tvar alebo farbu, ako chcú, a budú môcť tlačiť aj náhradné diely doma, namiesto objednávania a čakania na ich dodanie. , Podľa výskumnej spoločnosti Strategy Analytics by sa domáca 3D tlač mohla do roku 2030 vyvinúť na priemysel v hodnote 70 miliárd dolárov ročne.

3D tlačiarne pre potraviny môžu dokonca konečne vyriešiť problém, ako prinútiť deti, aby jedli svoju zeleninu, pretože rodičia ich budú môcť formovať do všetkých druhov tvarov. Možno, že by mohol byť presvedčivý batoľa jesť brusičské klíčky, ak by boli pripravené v tvare dinosaura..

Prekážky v 3D tlači

Aj keď je prísľub 3D tlačiarní značný, existujú rovnako významné prekážky, ktoré treba prekonať skôr, ako sa dostanú do očakávaní zástancov priemyslu.

1. Nedostatok jednoduchých a lacných spotrebiteľských tlačiarní
3D tlačiarne, ktoré predávajú za menej ako 1 000 dolárov, majú obmedzené možnosti, je ťažké ich prevádzkovať, môžu byť nespoľahlivé a môžu vyžadovať použitie ručnej montáže. Aj keď sa tieto nedostatky nakoniec odstránia, môže trvať značné obdobie pokusov a omylov a času, kým bude k dispozícii cenovo dostupný model spotrebiteľa.

V článku z roku 2013 o stratégii + podnikanie sa uvádza, že „bez ohľadu na to, ako lacná sa 3D tlačiareň stane, výrobný závod bude aj naďalej ponúkať úspory z rozsahu surovín na tlač artefaktu.“ Článok sa tiež pýta, či spotrebiteľ použije 3D tlačiareň doma na výrobu plastových vidličiek alebo šachových figúrok, ak si ju môže kúpiť od miestneho Walmartu..

2. Nedostatok vhodných materiálov na tlač
Tlačiarne, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii za spotrebiteľské ceny (2 500 dolárov a menej), sa spoliehajú na technológiu modelovania depozície a plastov PLA a ABS. Tento materiál nie je odolný a jeho použiteľnosť je obmedzená. Odborníci sa domnievajú, že budúca generácia bude musieť využívať uhlíkové kompozity a kovy, aby bola pre priemerného spotrebiteľa užitočná.

Článok z roku 2014 v britskom The Telegraph sa zameriava na obhajcov novej technológie, ktorá vyhlasuje takú jasnú budúcnosť, pričom poznamenáva, že dokonca aj úspešné domáce 3D tlačiarne „vytvárajú modely, ktoré vyzerajú, akoby boli pár hodín ponechané na chladiči.“ “ Spisovateľ ďalej poznamenáva, že hoci je všetko v poriadku, naberanie častí zbraní na internet, ale bez prostriedkov na výrobu kovu (kapacitné 3D tlačiarne pre tlačiareň zatiaľ nemajú), „je pravdepodobnejšie, že si zložíte ruku, ako strieľať guľku. “

3. Potreba znalostí CAD dizajnu
Aj keď súbory na stiahnutie pre rôzne objekty sú k dispozícii na webových stránkach ako Thingiverse a Shapeways, sú vo všeobecnosti technické a nemusia byť kompatibilné s každou 3D tlačiarňou. Z dôvodu marketingového humbuku okolo tlačiarní sa tieto tlačiarne môžu zobrazovať ako ľahšie ovládateľné ako skúsenosti skutočných používateľov.

Tom Meeks, prispievateľ do blogu Užívatelia 3D tlačiarní, upozorňuje na paralelu medzi 3D tlačiarňami a systémom výrobcov kávovarov Keurig a na dôležitosť dizajnu spotrebiteľov a ľahkého používania, pričom berie na vedomie, že Keurigovi trvalo 16 rokov, kým získal uznanie na trhu, aké má dnes. A malo by sa uznať, že existuje oveľa viac konzumentov kávy ako potenciálnych používateľov 3D tlačiarní. Marketingoví odborníci sa domnievajú, že tlačiarne musia byť rovnako jednoduché ako tradičné laserové alebo ihličkové tlačiarne, ak majú nájsť širokú akceptáciu.

4. Pomalý, chaotický a potenciálne nebezpečný
Aj keď sú tlačiarne ideálne pre nákladné alebo komplikované drahé objekty, sú príliš pomalé na hromadnú výrobu. Použité materiály a ich emisie počas používania, najmä prášky, môžu byť špinavé a potenciálne toxické. Napokon súčasné 3D tlačiarne využívajúce plast PLA pracujú pri veľmi vysokých teplotách (220 až 230 stupňov). Aj keď tieto problémy nie sú neprekonateľné, ich prekonanie bude vyžadovať čas a investície.

Záverečné slovo

Nie je známe, či 3D tlačiarne budú mať dopad na televízor, počítač alebo mobilný telefón podľa očakávaní jeho obhajcov. S vývojom technológie sú možnosti a výhody nekonečné. Je to určite technológia, ktorú by mal bystrý spotrebiteľ poznať a byť pripravený na použitie, keď dozrieva a stáva sa spotrebiteľským produktom..

Co si myslis? Máte záujem o vlastníctvo 3D tlačiarne?