Здесь можно разместить свое видео с You TUBE!

3d-печать (аддитивное производство)

3D-печать, как технология, представляет из себя процесс создания твёрдых трёхмерных объектов практически любой формы на основе цифровой компьютерной модели.

3D-печать в энциклопедии полимеров на MPlast.by. Подробное описание технологических решений, история, бизнес, влияние, интересные факты, прогнозы

3D-печать достигается посредством так называемых аддитивных процессов, во время которых каждый слой материала кладётся в разной форме. Это отличает её от традиционных техник механической обработки, большинство которых основано на удалении материала путём его обрезания или сверления (субтрактивные процессы).[1]

3d-печать (трехмерная печать), также (преимущественно в англоязычных источниках) известная, как аддитивное производство (additive manufacturing (AM) – комплекс технологических решений и специализированного оборудования, позволяющие создавать трехмерные объекты по заданным моделям из специализированных расходных материалов (в основном на полимерной основе).

3D-печать, зародившаяся во второй трети минувшего века, получила свое активное развитие лишь в середине нулевых годов века нынешнего.  На сегодняшний день можно констатировать, что 3D-печать уже сформировалась как отдельная индустрия, которая включает в себя не только разработку технологических решений, а также разработку, изготовление и серийное производство расходных материалов и специализированного оборудования (принтеры и сканеры), но также включает в себя и зарождающуюся сферу бизнеса, ориентированного на оказание услуг и выполнение работ непосредственно при помощи технологий объемной печати.

В ряде СМИ и мировом бизнес-сообществе, характеризуя перспективность данной индустрии, 3D-печать именуют, как «интернет в 95 году», указывая тем самым на ожидаемый и бурный рост индустрии 3д-печати в обозримом будущем.

СОДЕРЖАНИЕ: История | Общие принципы | Технологии 3DP | Оборудование | Материалы | Программное обеспечение | Сферы применения | Рынок 3D-печати | 3Д-печать в СНГ | Интересные факты

История развития объемной печати

История 3Д-печати насчитывает уже несколько десятилетий, однако основной технологический всплеск пришелся лишь на последние 10 лет.

Разработка целевых технологических решений и специализированного оборудования, оснастки и материалов в области объемной печати начались еще в конце 70-х годов прошлого века. При этом, первые образцы оборудования и материалов для 3D-печати появились уже в 80-х годах.

В 1981 году Хидео Кодама, сотрудник Муниципального промышленного исследовательского института в Нагое (Япония) изобрел два новых метода изготовления трехмерных моделей из пластика и реактопластов, выступавших в качестве отвердителя.

16 июля 1984 года французские ученые Ален Ле Меают, Оливье Де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на регистрацию патента на процесс стереолитографии. К сожалению, данный патент вскоре был приостановлен компаниями General Electric Company (теперь Alcatel-Alsthom) и CILAS (The Laser Consortium) по причине, что интересно: «из-за отсутствия деловой перспективы».

Примечательно, что всего 3 недели спустя на другом берегу Атлантики Чак Халл (компании 3D System Corporation) подал свой собственный патент на систему стереолитографической обработки, в которой слои добавлялись путем отверждения фотополимеров при помощи ультрафиолетовых световых лазеров. Халл обозначил этот процесс как «систему для создания трехмерных объектов путем формирования у них структуры поперечного сечения».

Фактически, вкладом Чака Халла в мировую индустрию объемной печати является создание формата файлов STL (используются в стереолитографии), разработка элементов программного обеспечения 3D-печати и ряда ключевых элементов технологических решений в вопросе использования материалов.

Первые образцы оборудования были крайне громоздкими, а сам процесс 3д-печати оставлял очень много вопросов к скорости работы и качеству прототипирования. Изменить эту ситуацию решил Скотт Крамп, который в 1988 году разработал технологию и 30 октября 1989 года подал заявку на патент изобретения, обозначенного как: аппарат для создания трехмерных объектов методом послойного наплавления.[2]

Тут следует упомянуть еще один интересный факт о 3D-печати: свой путь в области данной технологии, ныне весьма состоятельный человек и признанный эксперт индустрии объемной печати и аддитивных технологий, Крамп начал с того, что решил использовать горячий клеевой пистолет, чтобы сделать маленького лягушонка в качестве игрушки для собственной дочери.

Технология, которую разработал Крамп получила название «моделирование методом наплавления (FDM)» и на сегодняшний день является самой используемой технологией 3D-печати. Сам разработчик приступил к ее промышленному освоению в том же 89 году, учредив для этих целей (вместе с супругой) одного из нынешних лидеров индустрии – компанию Stratasys. Свой первый 3д-принтер (3D Modeler) компания продала в 1992 году.

Сам термин 3Д-печать (3d— printing) впервые появился в 1993 году и (первоначально) относился к технологии нанесения порошкового слоя с использованием стандартных и струйных печатающих головок, разработанных в Массачусетском технологическом институте (MIT).

К 1993 году относится и еще одно, весьма важное для индустрии объемной печати, событие – в этом году была основана и начала свою работу компания Solidscape, представившая на рынок высокоточное оборудование 3D-печати, работающее по технологии «точка к точке» («dot-on-dot»).

Технологии аддитивного производства, предназначенные для спекания или плавки материалов (например, селективное лазерное спекание, прямое металлическое лазерное спекание и селективное лазерное спекание) в 80-х и 90-х года прошлого века были известны под своими собственными названиями. В то время вся металлообработка осуществлялась методами, ныне именуемыми, как «неаддитивные» (литье, штамповка, механическая обработка). Не глядя на то, что для этих методов характерна глубокая автоматизация технологических процессов (например, станки с ЧПУ) идея движущейся рабочей головки, перемещающейся в трехмерном пространстве и преобразующей рабочее сырье и (или) материал в заданную форму, в металлообработке применялась лишь в процессах, удаляющих «лишнее» (например, фрезерование). Учитывая это обстоятельство, классификация данных методов в качестве аддитивного производства, оспаривается разработчиками технологических решений, основанных на добавлении материалов. Так, к середине 90-х годов в Университете Стэнфорда и Университете Карнеги-Меллоун были разработаны новые методы осаждения материалов: микрокастинг и распыление материалов. Со временем свое развитие получили не только технологии обработки, но и сами материалы, используемые в 3д-печати. Это позволило существенно продвинуть индустрии и расширить возможную геометрию получаемых объектов.

Знаменательной датой в мировой истории 3д-печати является 29 мая 2008 года. В этот день появился первый 3D-принтер, способный частично распечатать сам себя. Машина, получившая название Darwin, была разработана в рамках проекта RepRap (сокращение от Replicating Rapid Prototyper — самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов) , основанного Эдрианом Боуэром из университета Бата (Bath University). Проект был впервые анонсирован за 3 года до этого в виде идеи, предполагавшей создание 3d-принтера, способного воспроизводить самого себя. При этом, ключевым принципом проекта явилось то условие, что вся техническая документация по оборудованию и программное обеспечение для 3D-печати должны находиться в свободном доступе.[2]

Крайне важное событие для общемировой индустрии аддитивных технологий свершилось в 2010 году – когда окончательно истекли сроки действия патентов уже упомянутых компаний-первопроходцев 3D System и Stratasys. Это обстоятельство открыло двери для широкого круга сравнительно небольших компаний и частных лиц, ринувшихся изобретать новые решения и оборудование в области печати 3D. В итоге цены на оборудование пошли вниз, а само оборудование, материалы и технологии стали более надежными и эффективными.

Начиная с 2010 года индустрия аддитивных технологий развивается едва ли не в геометрической прогрессии, совершенствуя технологические решения, основное и вспомогательное оборудование, а также, проникая в новые сферы производства, бизнеса и общественной жизни.

Общие принципы технологии 3D-печати

Индустрия 3д-печати уже насчитывает несколько весьма разноплановых методов создания объемных моделей. Печать может осуществляться различными способами с применением весьма широкой гаммы материалов (от традиционных полимеров до экспериментальных случаев использования материалов на биологической основе), однако, в основе каждого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Технологии, используемые для создания слоев в 3D-печати, различаются в зависимости от используемых материалов и технологического процесса. При этом, общими принципами практически всех технологий объемной печати, являются наличие таких этапов, как: моделирование, непосредственная 3D-печать и постобработка.

Моделирование

Моделирование — это создание виртуальной модели для 3D-печати с помощью специальных программ или САПР. Модель может быть создана на основе сканирования или вручную с использованием графического интерфейса.

3D-печать

3D-печать (как этап общей процедуры) — это процесс последовательного нанесения слоев материала, чтобы создать физическую модель.

Постобработка

Постобработка — это процесс повышения качества и внешнего вида готовой 3D-модели, включая сглаживание, обработку поверхности и покраску. Постобработка может выполняться вручную или с помощью специальных инструментов и материалов.

Основные технологии 3д-печати

Основные технологии 3D-печати:

  • Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling (FDM) — это процесс создания объектов, состоящих из множества деталей, путем нагрева и плавления пластика, заливаемого в специальную форму,
  • Стереолитография (Stereolithography (SLA) — это технология 3D-печати, которая позволяет создавать объекты, состоящие из множества отдельных слоев,
  • Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS) — это технология, при которой на поверхность изделия наносится тончайший слой металла, благодаря которому изделие приобретает уникальные свойства. Например, становится более прочным или легким,
  • Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting (EBM) — это один из методов 3D печати, который используется для производства металлических изделий.

Каждая из этих технологий имеет свои уникальные особенности, преимущества и ограничения.

3DP оборудование

Практическая реализация любой из известных технологий осуществления 3D-печати предполагает использование специализированного и вспомогательного оборудования. Ключевую роль при этом, что понятно, играют 3д-принтеры, непосредственно осуществляющие 3д-печать. При этом, заметную руль играют также 3д-сканеры, позволяющие сравнительно быстро получить объемную модель объекта, а также персональные компьютеры, на которых (помимо прочего) осуществляется создание и редактирование 3D-моделей.

3D-принтеры

Основная статья: 3d-принтер

3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по заданной цифровой 3D-модели. На сегодняшний день различают два типа оборудования: домашний и профессиональный.

При этом, 3д-принтер профессионального класса от оборудования для «домашнего» использования отличают стабильные размеры получаемых изделий, повышенная производительность и качество прототипирования.

Сканеры 3DP

3D-сканеры — это передовые устройства, используемые в 3D-печати. Они позволяют создавать точные цифровые копии объектов, которые могут быть затем использованы для 3D-моделирования и печати.

Существует множество типов 3D-сканеров, включая технологии лазерного сканирования, стереометрического сканирования, и сканирования с использованием встроенных камер. Каждый тип имеет свои преимущества и ограничения, поэтому выбор зависит от конкретных требований проекта. 3D-сканеры представляют собой важный инструмент для улучшения точности, эффективности и качества в 3D-печати.

Вспомогательное 3DP оборудование

3D печать требует использования различных вспомогательных устройств для обеспечения эффективной и качественной работы. Это включает: принтер, материалы для печати (обычно пластик или специальные смеси), калибровочные платформы, охладительные вентиляторы и системы удаления отходов.

Также могут использоваться дополнительные инструменты для обработки и удаления поддержек. Важно выбирать качественное и совместимое оборудование, чтобы избежать проблем в процессе печати.

Материалы для 3д-печати

3D-печать использует различные материалы, каждый из которых имеет свои особенности и подходит для решения определенных задач. Основные категории материалов для 3D-печати: пластики, металлы, смеси, целлюлоза и резина.

  1. Пластики:

  1. Металлы:

  • Титан;
  • Алюминий;
  • Сталь;
  • Золото;
  • Серебро.

  1. Смеси:

  • Полимерные смеси;
  • Смеси металлополимеров;
  • Смеси целлюлозы и полимера.

  1. Целлюлоза:

  • Целлюлоза из контейнеров;
  • Регенерированная целлюлоза.

  1. Резина:

  • Силиконовая резина;
  • TPU (термопластический эластомер).

При выборе материала для 3D-печати следует учитывать цель печати, требования к прочности и физико-механическим, а также эстетическим свойствам в целом.

Программное обеспечение 3dp

После создания 3D-модели используются САПР-системы, поддерживающие управление 3D-печатью. САПР (CAD – Computer-Aided Design) — системы автоматизации проектных работ: программное обеспечение для 2D и 3D моделирования.[1]

3D-печать требует специального программного обеспечения, именуемого 3D Printing (3DP) Software, для преобразования виртуальных моделей в реальные объекты. Это программное обеспечение включает в себя следующие виды:

  1. CAD (Computer-Aided Design) software — программное обеспечение, которое используется для создания 3D-моделей.
  2. Slicing software — программное обеспечение, которое разбивает 3D-модель на слои, которые затем могут быть напечатаны.
  3. Printing software — программное обеспечение, которое определяет параметры печати и отправляет инструкции принтеру.

Программное обеспечение 3DP также может включать в себя инструменты для модификации моделей, оптимизации параметров печати и мониторинга процесса печати.

Сферы применения 3D-печати

3D-печать широко используется в различных областях, включая медицину, авиацию, автомобилестроение, искусство, дизайн, архитектуру и многое другое.

Остановимся на основных направлениях чуть более подробно:

  • Медицина: 3D-печать используется для создания протезов, имплантов, моделей для планирования операций и для обучения врачей. Также используется для производства искусственных органов и тканей.
  • Авиация: 3D-печать используется для создания деталей самолетов, включая компоненты конструкции и внутренние элементы.
  • Автомобилестроение: 3D-печать используется для создания деталей автомобилей, таких как компоненты топливных систем и тормозные системы.
  • Искусство и дизайн: 3D-печать используется для создания уникальных произведений искусства и дизайна, воплощая самые смелые идеи авторов.

Ключевое преимущество и потребительское свойство аддитивных технологий вообще и объемной печати в частности — это оперативная возможность материальной визуализации масштабируемых объектов, что открывает обширные возможности и ускоряет процессы реализации соответствующих проектов.

Рынок 3D-печати

Структурно рынок объемной печати можно условно разделить на 2 основных сегмента: рынок оборудования и рынок расходных материалов для 3д-печати. Как уже было многократно отмечено, индустрия аддитивных технологий, по мнению большинства финансовых аналитиков и экспертов в области бизнеса, относится к категории наиболее привлекательных сфер для инвестирования.

Не удивительно, что проводимые исследования и публикуемые прогнозы предрекают рост рынка 3d-печати в целом и его составных элементов в частности. Драйвером роста, при этом, является ожидаемое и очень активное развитие мелкосерийного производства — так называемая «крафтовая революция».

Рынок расходных материалов

На сегодняшний день наиболее потребляемыми материалами на рынке 3д-печати являются:

  • Фотополимерные материалы;
  • Термопластичные волоконные материалы;
  • Термопластичные порошки;
  • Металлические порошки;
  • Пескообразные и вяжущие материалы;
  • Специализированные сварочные проволоки.

Ожидается, что дальнейшее развития рынка материалов будет развиваться путем создания специализированных веществ и рецептур. Сопутствующим фактором, при этом, будет рост эффективности применения таких материалов и снижение их себестоимости.

Что касается анализа рынка с точки зрения потребителей, то тут, прогнозируют эксперты, основными драйверами будут выступать: аэрокосмическая индустрия; медицина; архитектура и образование. В итоге, по мнению аналитиков из Report Buyer, совокупный объем мирового рынка 3dp материалов составит к 2025 году $8 млрд.

Рынок 3D-принтеров

Если история самой технологии 3д-печати насчитывает уже несколько десятилетий, то история бизнеса в данной области сейчас только начинается — по мнению экспертов рынок 3d-принтеров зародился лишь 5 лет. При этом он демонстрирует существенные темпы роста. Так, в 2015 году его объем уже оценивался в $4,8 млрд.

В настоящий момент аналитики отмечают двукратные темпы роста. Так, по мнению авторитетной компании Delloite объем мирового рынка 3D-принтеров в 2020 году составит $20 млрд.

Что касается структуры рынка, то по итогам продаж данной категории оборудования в 2016 году, порядка 95% пришлось на так называемые домашние 3d-принтеры. Ожидается, что в обозримой перспективе данный баланс будет меняться в пользу принтеров профессионального класса, что будет обусловлено развитием бизнес-применения 3d-печати.

Рынок услуг 3D-печати

Ключевое значение для развития индустрии объемной печати в целом, по мнению экспертов и аналитиков, имеют перспективы дальнейшего становления и развития бизнесс-применения 3д-печати.

Так, в период с 1988 по 2015 год среднегодовой темп роста рынка аддитивных технологий (создание 3D-моделей) составил, по данным Wohlers Associates которые приводит РБК, 26,2%. Совокупная выручка компаний, занятых в производстве и обслуживании 3D-принтеров в мире, в 2015 году превысила $5,16 млрд. По данным Context, мировой рынок услуг 3D-печати к 2020 году достигнет $17,8 млрд.

3д-печать в России, Беларуси и СНГ

По некоторым данным первые разработки в области аддитивных технологий на просторах СНГ, начались еще в прошлом веке — во времена существования СССР. Однако первые, более-мене заметные успехи в этой области стали появляться лишь во второй половине первого десятилетия века двадцать первого.

На сегодняшний день лидером в области освоения и применения технологии 3d-печати в СНГ, вполне ожидаемо, является Российская Федерация. Именно здесь сконцентрировано подавляющее большинство национальных разработчиков технологических решений, оборудования и материалов.

При этом, свое успехи в области объемной печати есть и в других странах бывшего СССР. В частности в Республике Беларусь есть собственные, хоть и мелкосерийные, разработчики и производители оборудования (в том числе, 3d-принтеров профессионального класса), а также производители  расходных материалов (преимущественно, на полимерной основе) и разработчики технологических решений.

Что же касается вопросов практического применения 3д-печати в повседневной жизни, бизнесе и образовании, то тут можно констатировать в целом одинаковую и вполне развитую (учитывая «возраст» индустрии) ситуацию практически по всем странам постсоветского пространства. Помимо России и Беларуси, 3д-печать, как инструмент для ведения бизнеса, осуществления проектирования или обучения школьников и студентов вполне активно применяется в Украине, Азербайджане и Казахстане.

Интересные факты о 3D-печати

1. Прототип современного 3D-принтера был впервые представлен еще в 1966 году в знаменитом телевизионном сериале «Звездный путь» (Star Trek). По сценарию герои сериала использовали соответствующее устройство на своем космическом корабле с целью печати различных продуктов питания. На сегодняшний день 3д-печать еды — это уже весьма проработанная технология, реализованная во многих странах мира — определенные разработки на этот счет присутствуют и в Беларуси.

3д-печать - интересные факты: прототип 3d-принтера, печатающего едой: food replicator из сериала Звездный путь

3D-принтер из сериала «Звездный путь» — Food Replicator печатает еду (Изображение кликабельно)

2. Куда более важным и весьма интересным фактом в истории технологий объемной печати является то обстоятельство, что первый патент в данной области получила группа французских ученых 16 июля 1984 года, однако (в итоге) он был прекращен компаниями Alcatel-Alsthom и The Laser Consortium по причине отсутствия (по мнению ответственных сотрудников названных фирм) у данной технологии деловой перспективы. Интересно то, что всего лишь спустя 3 недели патент на схожую разработку получил Чак Халл, один из основателей компании 3D Systems Corporation, ныне занимающей лидирующие позиции на мировом рынке 3д-печати.

3. 3д-печать, способная создавать объекты различного размера и формы под индивидуальные задачи, уже сегодня весьма активно используется в такой области, как строительство. Однако, перспективы аддитивных технологий не ограничиваются лишь применением на нашей родной планет «Земля».

Так, по данным издания TopNewsWeek.com, в настоящий момент группа ученых, состоящая из сотрудников Университета Вашингтона (США) и НАСА, активно работает над  созданием технологии и соответствующего оборудования, которые позволят осуществлять 3d-печать с использованием лунной пыли. Цель, как уже можно догадаться, заключается в том, что бы в процессе колонизации естественного спутника печатать необходимые элементы (например, запасные части к луноходу), а в перспективе и строительные материалы для возведения жилых и рабочих модулей станции прямо на Луне.

4. Еще один интересный факт из истории 3д-печати: знаете ли вы, что 3d-печать, в ее нынешнем виде, по сути началась с того, что один из нынешних общепризнанных экспертов данной индустрии (Скотт Крамп из Stratasys) решил сделать для своей маленькой дочери игрушечного лягушонка при помощи клеевого пистолета.

Узнать больше о 3d-печати:

Также, для получения наиболее полной картины об индустрии аддитивных технологий и объемной печати рекомендуем использовать поиск по сайту.

3D-печать становится все более доступной и востребованной технологией, и ее применение распространяется во все новые сферы жизни и промышленности. От медицины и авиации до дизайна и моды, 3D-печать предлагает множество возможностей для творчества и инноваций.

С развитием новых материалов и технологий, перспективы 3D-печати все более обещающие. Несмотря на некоторые технические и экономические препятствия, 3D-печать уже сделала и будет делать важный вклад в решение многих задач, связанных с производством и использованием продуктов, а также в облегчение жизни людей.

В заключение, можно сказать, что 3D-печать является одной из самых инновационных и важных технологий современности, а ее применение позволяет ускорить технологические процессы на благо общества и человека.

17 августа, 2017
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

МЕТКИ