Czym jest technologia druku 3D - jak to działa, zastosowania i przeszkody

Te rewolucyjne drukarki są coraz bardziej widoczne w naszym codziennym życiu:

Pistolety. W 2013 r. Samodeklarowany „krypto-anarchista” Cody Wilson zaprojektował, stworzył i wydrukował plastikowy pistolet za pomocą technologii druku 3D. Cody oddał strzał i rozprowadził pliki CAD broni w Internecie. Przed zamknięciem witryny przez rząd USA było ponad 100 000 pobrań. W maju 2014 r. Yoshitomo Imura został aresztowany w Japonii za posiadanie pięciu pistoletów drukowanych w 3D.
Kosmetyki. Na pokazie TechCrunch Disrupt w Nowym Jorku w maju 2014 r. Absolwentka Harvard MBA Grace Choi zademonstrowała Mink, drukarkę 3D kosztującą mniej niż 200 USD, która łączy atrament zatwierdzony przez FDA z różnorodnymi podłożami do tworzenia wszelkiego rodzaju makijażu, z proszków, do kremu, do szminki. Według Choi: „Duże firmy zajmujące się makijażem biorą pigment i podłoża, mieszają je ze sobą, a następnie podnoszą cenę. Robimy to samo i pozwalamy Ci zrobić makijaż we własnym domu. ”
Części ciała. Według raportu magazynu TIME z 2013 r. Drukarki 3D już wycinają części ciała, takie jak uszy i nosy, z komórek ciała. Na wczesnym etapie technologia jest obiecująca w chirurgii plastycznej i chirurgii plastycznej.
jedzenie. Massachusetts Institute of Technology opracował drukarkę 3D do żywności o nazwie „Cornucopia”, a French Culinary Institute używa opracowanego przez Cornell FabatHome do przygotowywania żywności. Być może kosmiczne replikatory żywności przedstawione w „Star Trek” nie są tak daleko w przyszłości, jak mogłoby się wydawać.
Kryminalistyka i archeologia. W programie telewizyjnym „CSI: Nowy Jork” druk 3D służy do replikacji kuli w ciele, aby uniknąć operacji. Archeolodzy mogą replikować delikatne artefakty do badań bez uszkadzania oryginalnych bezcennych przedmiotów. Na przykład odwiedzający wystawę Discovery Time Square King Tut mogli zobaczyć prawie identyczną wydrukowaną w 3D replikę mumii firmy Materialise.

Michał Anioł wyjaśnił kiedyś, że na każdym kamiennym bloku jest posąg, a odkrywanie go jest zadaniem rzeźby. Gdy artysta zrozumie trójwymiarowy obraz, którego szuka, jego zadaniem jest ostrożne odłamanie obcego materiału, aby odsłonić ukrytą strukturę. Gdyby Michał Anioł był w stanie używać drukarki 3D, jego proces twórczy byłby dokładnie odwrotny: zaczynając od niczego i stopniowo tworząc swój obraz mentalny poprzez dodawanie substancji, aż poszukiwana forma był kompletna.

Jak działa drukowanie 3D

Termin „druk 3D” jest mylący, ponieważ istnieje niewielkie podobieństwo do druku dwuwymiarowego, w którym tusz jest nakładany na papier. Jednak proces jest podobny do drukowania, ponieważ wynikiem jest nagromadzenie różnych warstw materiałów ułożonych kolejno w różnych kształtach, aby stworzyć solidny trójwymiarowy obiekt. Bardziej dokładnym opisem byłoby „wytwarzanie addytywne”, inna metoda tworzenia niż tradycyjna produkcja, która polega na usuwaniu materiału stałego z większej nieformowanej masy.

Proces rozpoczyna się od projektu wspomaganego komputerowo (CAD) lub skanera 3D w celu przekształcenia modelu w cyfrowe, trójwymiarowe pomiary. Używając wybranego materiału (płyn, proszek, papier lub arkusz), wiele cienkich warstw jest umieszczanych na miejscu i stapianych przez ogrzewanie, utwardzanie, centrowanie, laminowanie lub polimeryzację fotolityczną w celu utworzenia jednego zunifikowanego obiektu.

Technologia druku 3D ewoluowała w ciągu ostatniego trzeciego wieku; w raporcie Patent Insight Pro z 2014 r. wymieniono około 2635 patentów związanych z technologią drukowania 3D, które zostały wydane od wczesnych lat siedemdziesiątych. Chociaż każdy patent może być konkretny w odniesieniu do jego roszczeń i uzasadnienia uzasadniającego wydanie patentu, można je ogólnie podzielić na następujące kategorie:

Zidentyfikowany proces technologiczny. Obecnie w druku 3D stosuje się 33 różne procesy, od modelowania stopionego osadzania (FDM) - proces podgrzewania materiałów termoplastycznych do stanów półpłynnych, a następnie wytłaczanie ich warstwa po warstwie wzdłuż sterowanej komputerowo ścieżki - do stereolitografii, proces, w którym laser ultrafioletowy utwardza warstwę ciekłego fotopolimeru, gdy jest on podnoszony lub opuszczany przez platformę zanurzoną w zbiorniku z ciekłym polimerem, podobnie jak nakładanie kolejnej warstwy lakieru, aż wiele warstw da końcową część.
Materiały określone w patencie. Jak dotąd wydane patenty obejmują 45 różnych materiałów, w tym ceramikę, glinę, pallad, papier, gumę, srebro, tytan i wosk.
Zastosowanie lub aplikacja. Na koniec było co najmniej 22 komercyjnych zastosowań druku 3D, w tym w budownictwie, przemyśle obronnym i spożywczym.

Stan branży druku 3D

Wielu obserwatorów branży twierdzi, że dotychczasowy brak penetracji rynków masowych wynikał z szerokich patentów różnych firm i prawdopodobieństwa procesów sądowych dotyczących własności intelektualnej. Mówiąc wprost, firmy nie wydały zasobów na wykorzystanie technologii, ponieważ boją się pozwów.

Ta bariera konkurencji uniemożliwiła nowym podmiotom wejście na rynek, a ceny były wysokie; zbyt wysoka, by wspierać aplikacje konsumenckie na rynku masowym. Ponieważ wiele patentów dotyczących podstawowych technologii wygasło w 2013 r., A więcej wygasną w 2014 i 2015 r., Prawdopodobnie nastąpi eksplozja nowych produktów i obniżka cen sprzętu podobna do spadków na innym sprzęcie elektronicznym, takim jak telewizory, komputery i telefony komórkowe. Niższe ceny po raz pierwszy zapewnią szeroki dostęp konsumentom.

Według Pete Basiliere, głównego analityka Gartnera zajmującego się drukiem 3D, przekonująca aplikacja konsumencka - coś, co można stworzyć tylko w domu za pomocą drukarki 3D - pojawi się do 2016 r. I będzie miała podobny wpływ na drukarki 3D, jak arkusz kalkulacyjny na PC lub dodanie aparatu do telefonu komórkowego. Raport Gridlogics Technologies przewiduje, że technologia stanie się masowym produktem rynkowym, ponieważ umożliwi konsumentom wymianę lub tworzenie wspólnych przedmiotów gospodarstwa domowego, które są obecnie wytwarzane tradycyjnymi metodami produkcji i obejmują powiązane koszty marketingu, logistyki i utrzymania zapasów. Charles W. Hull, twórca pierwszej drukarki 3D w połowie lat 80. XX wieku oraz współzałożyciel i dyrektor ds. Technologii 3D Systems, przewiduje, że do końca tej dekady przemysł będzie wart 4,5 miliarda dolarów.

Zastosowania druku 3D

Przyszłe zastosowania drukowania 3D są wciąż odkrywane. Poniżej przedstawiono tylko niektóre z obecnie działających aplikacji, które prawdopodobnie będą w powszechnym użyciu jako pierwsze.

1. Medycyna
Według CNN, naukowcy używają już drukarek 3D do drukowania małych pasków tkanki narządów (bioprint), a także wyrostków twarzy (uszy i nosy). Narządy drukowane, takie jak nerka lub wątroba - kolejny etap ewolucji technologii - mogą być początkowo wykorzystane do testowania leków i szczepionek, a ostatecznie do produkcji bardzo potrzebnych narządów do przeszczepów.

Basiliere stwierdza: „Urządzenia do bioprintingu 3D z możliwością drukowania narządów i tkanek ludzkich będą postępować znacznie szybciej niż ogólne zrozumienie i akceptacja konsekwencji tej technologii”. W odpowiedzi Mike Titsch, redaktor naczelny 3D Printer World, twierdzi: „Wiele poważnych przełomów medycznych cierpiało z powodu oporu moralnego, od przeszczepów narządów do komórek macierzystych. Czy tylko bogaci będą mogli sobie na to pozwolić? Czy gramy w Boga? W końcu ratowanie życia przeważa nad wszystkimi obiekcjami ”.

2. Sztuczne kończyny
Studenci z Washington University opracowali protezę ręki dla 13-letniej dziewczynki, która straciła kończynę w wypadku na łodzi. Chociaż nie jest tak zaawansowany jak inne protetyki, koszt 200 USD na materiały był znacznie niższy niż 6000 USD kosztu podobnych urządzeń, co wyklucza powszechne zastosowanie w wielu firmach.

Kylie Wicker z Rockland, Illinois, urodzona bez palców na lewej ręce, otrzymała zestaw operacyjny plastikowych palców z nadrukiem 3D w cenie 5 USD i zaprojektowana przez licealną klasę inżynierii. Kanadyjski profesor pracuje nad procesem drukowania 3D, aby protetyczne kończyny zostały wysłane do Ugandy dla ofiar ich trwałych wojen domowych.

3. Moda
Moda wykorzystała druk 3D do stworzenia oszałamiających wizualnie sukienek i akcesoriów prezentowanych na wybiegach New York Fashion Week 2013, a także wyjątkowej „dymnej” sukienki zaprezentowanej podczas Międzynarodowego Salonu Samochodowego we Frankfurcie w 2013 roku. Dymna sukienka automatycznie tworzy zasłonę dymu, ilekroć ktoś wejdzie do osobistej przestrzeni użytkownika.

Lady Gaga nosiła pierwszą na świecie latającą sukienkę, Volantis, kolejną sukienkę z nadrukiem 3D na ArtRave 2013. Continuum oferuje pierwsze na świecie gotowe do noszenia bikini w całości z nadrukiem 3D, N12, nazwane tak od materiału, z którego zostało wykonane: Nylon 12.

4. Prototypy i modele testowe
Oxfam International, międzynarodowa konfederacja 17 organizacji pracujących nad znalezieniem praktycznych, innowacyjnych sposobów wyjścia z ubóstwa, połączyła siły z MyMiniFactory.com w celu opracowania innowacyjnych projektów w celu rozwiązania problemów higieny wody w krajach Trzeciego Świata. Projekty można szybko wydrukować, przetestować i zmodyfikować przed przeniesieniem ich do produkcji seryjnej. Choć jest jeszcze na wczesnym etapie procesu, sponsorzy uważają, że szybkie testowanie nowych urządzeń i możliwe późniejsze modyfikacje z drukiem 3D okażą się skuteczne w takich projektach humanitarnych, jak urządzenia do sanitacji rąk dla 2,4 miliona syryjskich uchodźców żyjących w zatłoczonych, niehigienicznych warunkach.

Włoski wynalazca Enrico Dini opracował drukarkę 3D, znaną jako D-Shape, która wiąże cząsteczki piasku razem, tworząc kamień osadowy. Mówi się, że drukarka pozwala na budowę budynku czterokrotnie szybciej niż konwencjonalne środki za połowę kosztów. Urbee, samochód hybrydowy zaprojektowany przez Kor Ecologic, to dwumiejscowy pojazd, który pokonuje do 200 mil na galon, a jego szacunkowy koszt to około 20 000 USD, i jest w całości wyprodukowany przez druk 3D.

5. Użytek osobisty
Ludzie będą mogli drukować niestandardową biżuterię, artykuły gospodarstwa domowego, zabawki i narzędzia do dowolnego rozmiaru, kształtu lub koloru, a także będą mogli drukować części zamienne w domu, zamiast zamawiać je i czekać na dostawę . Według firmy analitycznej Strategy Analytics, domowe drukowanie 3D może przekształcić się w przemysł o wartości 70 miliardów dolarów rocznie do 2030 roku.

Drukarki 3D do żywności mogą nawet rozwiązać problem zmuszania dzieci do jedzenia warzyw, ponieważ rodzice będą mogli formować je w różne kształty. Być może wybrednego malucha można by przekonać do zjedzenia brukselki, gdyby były przygotowane w kształcie dinozaura.

Przeszkody w drukowaniu 3D

Chociaż obietnica dotycząca drukarek 3D jest znacząca, istnieją jednak równie istotne przeszkody, które należy pokonać, zanim osiągną oczekiwania zwolenników branży.

1. Brak prostych, niedrogich drukarek konsumenckich
Drukarki 3D sprzedające za mniej niż 1000 USD mają ograniczone możliwości, mogą być trudne w obsłudze, mogą być zawodne i mogą wymagać ręcznego złożenia. Mimo że wady te zostaną w końcu przezwyciężone, może upłynąć wiele prób i błędów, zanim dostępny będzie niedrogi model konsumencki.

Artykuł z 2013 r. W strategii + biznes zauważa, że „niezależnie od tego, jak tania staje się drukarka 3D, zakład produkcyjny będzie nadal oferował oszczędności w zakresie surowców do drukowania artefaktu”. W artykule zastanawia się również, czy konsument użyje drukarki 3D w domu, aby wykonać plastikowy widelec lub figurę szachową, jeśli będzie mógł ją kupić w lokalnej firmie Walmart.

2. Brak odpowiednich materiałów do drukowania
Drukarki, które są obecnie dostępne w cenach konsumpcyjnych (2500 USD i mniej), opierają się na technologii modelowania z topieniem oraz plastików PLA i ABS. Materiał ten nie jest wytrzymały i ma ograniczoną użyteczność. Eksperci uważają, że następna generacja będzie musiała wykorzystywać kompozyty węglowe i metale, jeśli ma być użyteczna dla przeciętnego konsumenta.

Artykuł z 2014 r. W brytyjskim The Telegraph szydzi z zwolenników nowej technologii, którzy głoszą tak świetlaną przyszłość, zauważając, że nawet odnoszące sukcesy domowe drukarki 3D „tworzą modele, które wyglądają, jakby pozostały na grzejniku od kilku godzin”. Pisarz zauważa dalej, że chociaż bardzo dobrze jest przesyłać części broni do Internetu, ale bez środków do robienia metalu (pojemność drukarek 3D konsumentów jeszcze nie ma), „jest bardziej prawdopodobne, że zdejmiesz rękę niż wystrzelić kulę. ”

3. Potrzeba znajomości projektowania CAD
Chociaż pliki do pobrania dla różnych obiektów są dostępne ze stron takich jak Thingiverse i Shapeways, są one na ogół techniczne i mogą nie być kompatybilne z każdą drukarką 3D. Ze względu na marketingowy szum wokół drukarek, mogą być one przedstawiane jako łatwiejsze w obsłudze niż doświadczenie rzeczywistych użytkowników.

Tom Meeks, współautor bloga Użytkownicy drukarek 3D, zauważa równoległość między drukarkami 3D a systemem ekspresów do kawy Keurig oraz znaczenie projektowania konsumenckiego i łatwości użytkowania, zauważając, że zajęło Keurig 16 lat, aby uzyskać akceptację rynkową, którą ma dzisiaj. I należy zauważyć, że pije się o wiele więcej kawy niż potencjalni użytkownicy drukarek 3D. Eksperci marketingowi uważają, że drukarki muszą być tak proste w obsłudze, jak konwencjonalne drukarki laserowe lub igłowe, jeśli mają zyskać szeroką akceptację.

4. Powolny, niechlujny i potencjalnie niebezpieczny
Choć są idealne do jedynych w swoim rodzaju lub skomplikowanych, drogich przedmiotów, drukarki są zbyt wolne do masowej produkcji. Użyte materiały i ich emisje podczas użytkowania, zwłaszcza proszki, mogą być brudne i potencjalnie toksyczne. Wreszcie, obecne drukarki 3D wykorzystujące plastik PLA działają w bardzo wysokich temperaturach (od 220 do 230 stopni). Choć problemy te nie są nie do pokonania, pokonanie ich wymaga czasu i inwestycji.

Ostatnie słowo

Nie wiadomo, czy drukarki 3D będą oddziaływać na telewizor, komputer lub telefon komórkowy zgodnie z oczekiwaniami ich zwolenników. W miarę rozwoju technologii możliwości i korzyści są nieograniczone. Jest to z pewnością technologia, którą bystry konsument byłby świadomy i gotowy do użycia, gdy dojrzewa i staje się produktem konsumenckim.

Co myślisz? Czy jesteś zainteresowany posiadaniem drukarki 3D??