3D-принтер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

печать трехмерный принтер информация

Введение

1. История создания трехмерных принтеров

2. Технологии 3D печати

2.1 Лазерная 3D-печать

2.2 Струйная 3D-печать

3. «Домашний» 3D-принтер

3.1 RepRap

3.2 CupCake

4. Области применения 3D-печати

Заключение

Библиографический список

Введение

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».

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.

Далее мы рассмотрим историю создания технологий трехмерной печати, их виды, области применения,а также перспективы развития.

1. История создания трехмерных принтеров

Первые применения технологии 3D-печати относятся к 1980-м годам. Тогда трехмерные принтеры были громоздкими и чрезвычайно дорогими, а область их применения - сильно ограниченной, да и самого термина - 3D-печать - еще не существовало.

Родоначальником современных установок по формированию 3D-объектов можно считать американца Чарльза Халла, который в 1986 году запатентовал первую в мире установку стереолитографии (SLA).Конечно, она была далека от того, чтобы называться 3D-принтером, но основные идеи послойного создания объемных фигур были заложены именно в ней. В том же году Халл основал компанию 3D Systems и разработал первый коммерческий 3D-прибор, он был назван Stereolithography Apparatus. В 1988 году была разработана модель SLA-250, она стала первой машиной для широкого круга пользователей.

Еще одним важным «лицом» 3D-печати является компания Stratasys и ее основатель Скотт Крамп, который вместе с женой в 1990 году стал автором одного из способов трехмерной печати моделирования методом наплавления.

Современная история 3D-принтеров началась в 1993 году, когда была создана компания Solidscape для производства струйных принтеров предшественников 3D-принтеров. Выражение «3D-печать» возникло в знаменитом Массачусетском технологическом институте лишь в 1995 году, когда двое студентов - Джим Бредт и Тим Андерсон модифицировали «плоский» струйный принтер так, чтобы он выводил изображения не на бумагу, а в специальную емкость и делал их объемными. Зарегистрированный патент используется компаниями Z Corporation (создана Бредтом и Андерсоном) и ExOne. Эта технология используется и по сей день в 3D-принтерах, выпускаемых компанией ZCorp. В основе технологии лежит струйная печать, выполняемая блоком головок по порошку на гипсовой основе. При этом три головки такого Z-принтера отвечают за формирование цвета будущей модели, а четвертая содержит прозрачный клей, обеспечивающий надежное послойное склеивание частиц порошка. Эта технология в настоящее время достаточно широко применяется для промышленного 3D-моделирования, хотя и не лишена определенных недостатков, главным из которых является невысокая прочность модели и необходимость ее обработки после изготовления.

Следующим этапом развития 3D-прототипирования стало появление технологии фотополимерной струйной печати PolyJet. Суть ее заключается в том, что головка принтера наносит послойно слой фотополимера, который тут же затвердевает под действием ультрафиолета. Эта технология и оборудование значительно дешевле, к тому же позволяют производить 3D-печать не только моделей, но и готовых изделий с очень высокой точностью. Принтеры, выпускаемые под маркой PolyJet, в настоящее время являются наиболее доступными по цене, и их уже вполне можно отнести к обычному офисному оборудованию.

Технологии 3D-печати в настоящее время развиваются очень стремительно, и появляются модели, которые уже вполне доступны по цене для использования в малом офисе и даже дома. К ним относятся 3D-принтеры, осуществляющие печать путем послойного наплавления полимера. Конечно, большие модели на таких устройствах получить будет сложно, но для разработки моделей сувенирной продукции или ювелирных изделий, а также для решения различных дизайнерских задач их можно успешно использовать.

2. Технология 3D печати

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта. На данный момент времени существует две основных технологии выращивания слоев, это лазерная и струйная.

2.1 Лазерная 3D-печать

Самая старая и пожилая - лазерная, включающая в себя стереолитографию (SLA), позволяющую создавать трехмерную модель по компьютерным CAD-чертежам. Она и была придумана в 1986 году Чарльзом Халлом. Принцип стереолитографии основывается на фотополимере, который находится в жидком состоянии. При просвечивании этого полимера специальным ультрафиолетовым лучом он застывает, образуя очень плотный и жесткий каркас. В комплекте с лазерным 3D-принтером поставляется специальная программа, разрезающая нужную компьютерную 3D-модель на множество слоев толщиной примерно в 0.1 мм. Кроме того, она переводит каждый слой в рисунок, который впоследствии и начинает "печататься". Фотополимер заливается тонким слоем, просвечивается, застывает, сверху накладывается следующий слой, который вновь застывает под ультрафиолетовым лучом. После многократного повтора таких действий образуется готовая модель прототипа, после чего она промывается и очищается от лишних остатков полимера. На SLA-принтерах можно печатать детали относительно больших размеров до 75 см в высоту. Однако сами устройства очень дороги и отличаются большими размерами величиной размером с немаленький шкаф, они весят около тонны, а стоят в районе 150 тысяч евро. Кроме того, следует отметить и небольшую скорость воспроизведения - всего несколько миллиметров в час. Компенсирует медленную скорость и большую цену высокое качество конечной модели, которая к тому же становится очень надежной и прочной.

Более быстрая и дешевая методика - технология лазерного спекания (SLS), где в роли заготовочного материала выступает уже не фотополимер, а порошок из легкоплавкого пластика. В 3D-принтере, работающем по такому принципу, лазер вырезает сечение будущей детали на порошке, который разогревается до температуры плавления и впоследствии спекается. Далее процедура повторяется - насыпается следующий слой порошка и лазер вновь выжигает очередной слой. Данная технология была придумана в середине 80-х, в 1989 году запатентована Карлом Декардом и сейчас используется в продукции компании DTM Corporation. Лазерное спекание позволяет получить очень качественные и прочные модели при относительно высокой скорости (около нескольких сантиметров в час плюс время на прогрев и остывание). Из основных положительных моментов надо отметить возможность печати металлических изделий. Это происходит за счет использования металлической стружки, которая "обваляна" в мельчайших частицах полимера. Модель, изготовленная из такого порошка, помещается в специальную печь, где весь полимер выгорает, а металлическая стружка сплавляется. В результате получается металлическая деталь из смеси стали и бронзы, готовая к использованию. В качестве основы в таком порошке может быть использована керамика или стекло, что позволяет создать после процедуры запекания термостойкую или устойчивую к химическим веществам модель.

2.2 Струйная 3D-печать

Струйная 3D-печать очень схожа с работой обычного принтера, только вместо краски соплом выдавливается некоторое количество разогретого пластика на охлажденную платформу, это так называемая Fused Deposition Modeling (FDM) технология. Капли очень быстро застывают и образуют один из слоев будущей трехмерной модели (как и в лазерной печати, создание модели ведется послойно). NASA даже собирается интегрировать такой 3D-принтер в космический корабль, рассчитанный на длительные экспедиции. Ведь астронавтам наверняка понадобится какая-то деталь для ремонта или замены, и подобное печатающее устройство попросту нужно. Все-таки компактный 3D-принтер с несколькими десятками килограмм исходного материала куда компактнее полновесного механического цеха. Существует технология струйной 3D-печати и с использованием полимерного порошка. Компания Z Corporation активно ее продвигает, причем в последнее время весьма и весьма успешно. Специальная головка впрыскивает на гипсовый или крахмальный порошок клеящую основу, которая при застывании образует один из слоев будущей модели. Изюминка данной технологии состоит в том, что в клей можно добавлять красящие вещества и делать модель не только объемной, но и разноцветной. Принтеры, работающие по такому принципу, стоят относительно немного - от 8 до 30 тысяч долларов, что в десятки раз меньше стоимости лазерных аналогов. Компания ProMetal использует схожий принцип 3D-печати, что и Z Corporation, только вместо порошка на гипсовой основе используется металлическая крошка. Ну а дальше дело за малым - обжечь получившуюся модель в печи и получить готовую модель. Ниже приведена сводная таблица основных технологий 3D-печати.

На основе струйной технологии FDM созданы и широко известные в среде энтузиастов 3D-печати так называемые «домашние» трехмерные принтеры, это open source проект Reprap и Capcake (более поздняя версия называется Replicator) компании MakerBot Industries, - сбывается мечта фантастов, - «репликаторы» идут в массы.

3 «Домашний» 3D-принтерР

Репликатор - это прибор, который впервые был представлен в американском научно-фантастическом сериале Звездный путь (Стар трек/Star trek) и который позволяет создавать любые другие вещи/приборы. С конца 60-х годов, когда первые эпизоды сериала были сняты прошло немало времени, и в последнее время появились устройства, позволяющие реализовать фантастические, когда то, замыслы по материализации различных вещей путем 3D-печати.

3.1 RepRap

Проект RepRap (от англ. Replicating Rapid Prototyper-самореплицирующийся механизм для быстрого изготовления прототипов) инициатива, направленная на создание самокопирующегося устройства, которое может быть использовано для быстрого прототипирования и производства. Устройство RepRap представляет собой 3D-принтер, способный создавать объемны артефакты на основе моделей, сгенерированных компьютером. Авторы проекта определяют «самокопирование» как способность аппарата воспроизводить компоненты необходимые для создания другой версии себя, что является одной из целей проекта. Аппарат представляет собой разработку с общедоступными наработками.

Благодаря способности аппарата к самовоспроизводству авторы считают возможным дёшево распределять аппараты между людьми и сообществами, позволяя им создавать (или скачивать из сети) сложные продукты и артефакты без необходимости создания дорогой производственной инфраструктуры. Дальнейшее развитие, по мнению авторов, будет носить эволюционный характер вкупе с возможностью экспоненциально увеличивать число изготовленных устройств. В теории в будущем, проект станет одной из «прорывных технологий», наравне с персональным компьютером и интегральными микросхемами.

Заявленная цель проекта - не столько создание самокопирующегося устройства, сколько возможность дать людям, независимо от местоположения и с минимальными затратами, настольную производственную систему, которая позволит производить многие вещи, используемые в повседневной жизни. Вирусная природа самокопирования также может вызвать экспоненциальный рост и сдвиг парадигмы в дизайне и производстве потребительских товаров: от завода-производителя патентованной продукции к человеку-производителю непатентованных товаров с открытыми спецификациями. При этом акцент транспортировки переместится с доставки готовых товаров потребителю на поставку ему сырья для изготовления нужных предметов.

Раскрытие производственного дизайна и производственных возможностей для человека значительно снизит время для инновационных улучшений продуктов и поддержки значительно большего разнообразия нишевых товаров, чем может себе позволить фабричное производство.

3.2 CupCake

Основное отличие 3D принтера Cupcake от своих собратьев состоит в цене и открытости проекта. Вы можете скачать чертежи 3D принтера с сайта MakeBot и сделать 3D принтер своими руками. А можно приобрести 3D принтер Cupcake в делюкс комплектации (все для сборки, от электроники, шаговых двигателей, каркаса и болтов до расходных материалов) за 950.00$.Это довольно немного, учитывая, что стоимость на самые дешевые 3D принтеры начинается от 5.000$

Cupcake - это тоже open source принтер. Вы можете вносить любые изменения в его конструкцию, изготавливать его самостоятельно и все это с официального разрешения разработчиков.

Рабочее поле 3D принтера в штатной конфигурации позволяет изготавливать объекты размерами до 10.3х10.3х15.3 см. Это достаточно много для домашних нужд. Но если вам понадобиться большее поле для изготовления 3D объектов, то вы всегда можете переделать Cupcake под свои нужды. В этом принтере используется популярная и недорогая технология 3D печати - FDM. В качестве рабочего материала Cupcake использует АБС пластмассу, специальная печатная головка расплавляет его и расплавленный пластик накладывается слой за слоем, таким-образом происходит формирование будущего 3D объекта. В печати можно использовать пластик различных цветов для получения разноцветных объектов.

Как было описано выше основным достоинством 3D принтера Cupcake является его доступность. Можно приобрести полный комплект для сборки, а можно только электронику и печатную головку, впрочем, если есть хороший опыт сборки электрических схем, то возможно купить только головку, а все остальное собрать самостоятельно. Все это лежит в викибиблиотеке проекта.

Вторым, неоспоримым достоинством является open source community -thingiverse, в котором есть возможность поделиться своими проектами и 3D файлами, а так же скачать уже готовые к печати файлы и объекты. Так что сразу после сборки 3D принтера можно начать его использование, не изучая программы для трехмерного моделирования.

На текущий момент времени существует уже более десятка проектов бюджетных принтеров на рынке. Пока они ориентированы на энтузиастов - различных любителей ноу-хау и электроники, а так же на преподавателей и студентов технических вузов, для образовательных целей. Но история имеет свойство повторяться - обычные принтеры тоже когда то были уделом различных НИИ и крупных производств, - а сейчас они на каждом компьютерном столе.

Возможно, через десяток лет, разбив чашку, мы не пойдем в магазин за новым сервизом, а лишь отсканируем другую, из этого же набора, и отпечатаем на домашнем 3D-принтере.

Применение технологий 3D-печати несет в себе далеко не только бытовые, но и гораздо более глобальные и фундаментальные задачи.

4. Области применения 3D-печати

Сегодня трехмерные принтеры применяются:

В архитектуре, для создания архитектурных макетов, причем для этого требуется много расходного материала и, соответственно он должен быть не дорогим, поэтому в качестве «чернил» используют гипс. Уже сейчас появляются проекты печати уже не макетов а самих домов при помощи больших 3D принтеров.

Разработка дизайна упаковки. Это важный этап для вывода продукта на рынок и поддержание его конкурентноспособности Всё больше компаний уделяют особое внимание деталям и тонкостям дизайна. Но прежде, чем вывести модель в серийное производство с ней нужно произвести ряд действий: визуальный анализ, анализ эргономики, фокус-групповое исследование и т.д. Мастер-модель может меняться несколько раз до того, как она будет направлена на отливку. В качестве материала изготовителя применяют как гипс так и цветные пластики, в зависимости от необходимости цветной модели.

Изготовление литейных форм из силикона - распространённая технология изготовления малых партий пластиковых изделий. Одна силиконовая форма выдерживает от 15 до 30 отливок. Для того, чтобы форма служила дольше, модели для данного метода литься должны быть гладкими с достаточно низкой детализацией. Основная задача мастер-модели - держать форму не допуская деформации, пока не остынет силикон. Фотополимеры и ABS-пластики полностью выполняют поставленную задачу.

Сувенирная продукция. Уже стало привычным использование цветных 3d-принтеров для создания моделей для фокус-группового исследования или уникальных сувениров. Теперь легко получить полноцветный готовый экземпляр для исследований перед запуском его на конвейер. Анализ прототипа, перед отправкой разработанной модели в серийное производство, важен. В качестве материала изготовления используется композит на гипсовой основе, который дополнительно обрабатывается для увеличения прочностных свойств готового прототипа.

На современном этапе развития технологии быстрого прототипирования становится возможным использовать профессиональные 3D-принтеры для мелкосерийного производства.

Медицина. Использование 3d-принтеров в медицине, в некоторых ситуациях, становится единственным способом спасти человеческую жизнь. Например, воссоздав элементы скелета пациента для отработки приёмов, необходимых для проведения успешной операции. Еще 3д принтеры широко используются в стоматологии и протезировании. Цифровое производство коронок и протезов значительно быстрее классического производства.

Фунгкциональное тестирование. Использование 3d-принтеров для создания моделей для функционального тестирования - самый современный метод инновационных разработок. В некоторых случаях требуется получить будущий механизм в сборе, но произвести отдельные компоненты в единственном экземпляре слишком дорого или долго.

Ювелирные украшения. Работа ювелира -- особенно творческий и трудоёмкий вид деятельности. При разработке украшений львиная доля времени уходит на создание восковой модели. К сожалению, эта процедура трудоёмкая и отнимает колоссальное время. Современные технологии позволяют производить разработку дизайна украшения в специализированном программном обеспечении, а в последствии использовать ювелирный 3D-принтер для выращивания восковой модели украшения.

И это далеко не полный список областей применения 3D-печати. С каждым днем он становится все шире и шире.

Заключение

Возможно складывается впечатление, что 3D-принтер - это не больше чем игрушка в руках дизайнеров и производителей продуктов для близкорасположенных ларьков, следует привести пример компании Lockheed Martin, которая 4 года тому назад на авиашоу в Лондоне показала рабочий макет самолета-невидимки с размахом крыльев 27 метров, детали которого фактически стопроцентно были изготовлены на 3D-принтере.

Р-175 Polecat был построен за 18 месяцев. Он обошелся своим создателям в смехотворные, по меркам военной техники, 27 млн. баксов и способен подниматься в высоту до 20 км, перемещаясь на сверхзвуковой скорости. Всего аппарат состоит из 200 частей, сделанных на 90% из композитных и полимерных материалов. Естественно, на 3D-принтере нереально отпечатать электронику, ЖК-дисплей либо еще какие электронные штуки, так что на 3D-принтере были изготовлены части твердого каркаса самолета-невидимки.

Трехмерная печать становится все наиболее популярной и дешевой, доступной если не для широких масс, то, по крайней мере, для большинства средних производственных компаний.

С помощью 3D-принтера можно в чрезвычайно маленький срок сделать нужный макет и даже применять его по назначению, если он выполнен из пригодного материала. Лишь представьте себе недалекое будущее, где можно будет придти в какой-либо офис и по заказу распечатать созданную вами модель. Это быть может что угодно - от гаечного ключа до чрезвычайно принципиальной и редчайшей детали в двигателе раритетного родстера.

Уже на данный момент на просторах интернета можно отыскать десятки разных моделей 3D-принтеров с различной ценой и скоростью печати до 2 см в час! При всем этом их размеры сравнимы с маленькой тумбой. Естественно, стоимость на такие устройства все еще велика, и часто варьируется от цены поддержанного российского кара до цены болида «Формулы 1». Поэтому почти все компании сдают 3D-принтеры в аренду, либо за умеренную плату изготавливают нужные модельные эталоны на собственных «производственных мощностях».

К примеру, в РФ средняя стоимость за один кубический сантиметр сделанной трехмерной продукции равна 30 рублям, но, снова же, стоит обмолвиться, почти все находится в зависимости от размера заказа, применяемого материала и технологии, по которой будет печататься модель.

На данный момент разработка 3D-печати в медицинских учреждениях позволяет создавать примитивные органы, в которых полимеры заменены обыкновенными выращенными клеточками, а роль клея, соединяющего их, делает особый биогель, растворяющийся после сращивания клеток.

Библиографический список

1. Ревич, Ю.В. 3D в натуре / Ю.В.Ревич //Компьютерра. 2009. №8. С. 37-41.

2. Mir3D.ru -портал о 3D технологиях. Режим доступа: http://www.mir3d.ru/articles/921/, свободный (дата обращения: 18.10.2012г.). Ильин, Ю. 3D принтеры: что и зачем.

3. Руководство для покупателя 3D принтера. // САПР и графика. 2009. №7. С. 24-26.

4. Персональный сайт. Режим доступа: http://artishev.com/texnologii/3d-printery.html, свободный (дата обращения 11.11.2012г.). Артищев, А.Б. 3D принтеры.

5. Print&play -интернет сообщество. Режим доступа: http://4nttm.ru/3dprinter/post-268/, свободный (дата обращения 11.11.2012г.). Зорин, С.Ф. Обзор технологий 3D принтеров.

6. User experience -IT портал.- Режим доступа: http://www.ux-news.ru/analytics/detail_3d_printery_istoriya/,свободный (дата обращения 12.11.2012г.). Цивинский, А. 3D принтеры. История возникновения и эволюции.

7. 3D-печать в домашних условиях: 3D-принтеры, программы, процесс. // Chip. 2011. №12. С. 49-52.

Размещено на Allbest.ru