3-D печать - революция в дизайне и производстве

Введение

Наш мир находится среди нового сдвига парадигмы в технологиче-ском процессе и технологии производства. По мере того, как новые техно-логические прорывы начинают смешивать наши физические и цифровые миры, мы являемся свидетелями революционной трансформации в том, как мы работаем, живем и взаимодействуем друг с другом. Четвертая промышленная революция на нас. Благодаря инновациям, таким как 3D-печать (3Д моделирование), Интернет вещи (IoT), искусственный интеллект и робототехника, можно назвать несколько. Это модель и страна. Эта ре-волюционная модель и страна. потенциально может повредить и изобре-тать практически каждый аспект производственной отрасли в 12 триллио-нов долларов.

Глава 1. Как 3D-печать меняет мир
1.1 Новая эпоха технической революции

Компьютерные технологии все больше срастаются с реальной жиз-нью. Однако грань между реальной реальностью и реальностью так ска-зать, компьютерной или виртуальной остается. Перенести предмет из од-ной плоскости в другую не так просто. Конечно, если речь идет о тексте, картинках и прочих двухмерных вещах - то принтеры и сканеры уже дав-но сделали такой обмен делом несложным и совершенно обыденным. Од-нако в случае с трехмерными физическими объектами все намного слож-нее.
Даже технологии, которые позволяют увидеть трехмерную компью-терную модель в реальном объеме нельзя назвать сильно распространен-ными (хотя они уже и находятся на уровне пользовательских и по цене, и по доступности). Что касается возможности такую модель пощупать и с ней повзаимодействовать, то тут пока даже речи не идет о домашнем или любительском использовании.
А про технологии, позволяющие воспроизвести модель в реальном материале, думаю, большинство читателей даже не задумывались. В луч-шем случае, что-то слышали краем уха. Именно таким технологиям и бу-дет посвящена эта статья. Так сказать, для общего развития.
Начнем с вопроса, зачем это нужно? Зачем нужно брать трехмер-ную модель чего-то и делать из нее реальный предмет? Оказывается, при-менений хватает. Первое, и самое основное, в индустрии - в основном для быстрого изготовления прототипов - чтобы посмотреть, как модель будет выглядеть в материале. По словам представителя авиакосмической компа-нии Pratt & Whitney "стоимость разработки сложного продукта может очень сильно снизиться, если предложить инженерами вместо десятков чертежей посмотреть на реальную деталь".
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 на готовом изделии и не проведешь. Например, Porsche использовала прозрачную пластико-вую модель трансмиссии 911 GTI для изучения тока масла в процессе ее разработки. Однако главное, такую модель можно сделать очень быстро - а в наше время высоких скоростей это очень важно. Собственно, существу-ет целая индустрия быстрого прототипирования (Rapid Prototyping -- RP), которая как раз и занимается разработкой и использований технологий объемной печати для этих целей.

1.2 Технология 3D-печати

Большинство из нас знакомы со струйными или лазерными принте-рами, которые позволяют печатать документы или фотографии. Они со-здают их, управляя нанесением чернил или тонера на поверхность листа бумаги. Подобным образом и 3D-принтеры производят объекты, контро-лируя размещение и адгезию последовательных слоёв «строительного ма-териала» в трёхмерном пространстве. По этой причине 3D-печать также известна, как «аддитивное производство слоёв» (ALM — Additive Layer Manufacturing) или «аддитивное производство» (АП или AM — Additive Manufacturing).
Чтобы напечатать объект на таком принтере, потребуется цифровая модель на компьютере. Её можно создать с помощью приложения для ав-томатизированного проектирования (САПР) или другого ПО под трёх-мерное моделирование. Также, цифровая модель может быть захвачена путём сканирования реального объекта 3D-сканером и обработкой с по-мощью CAD или других программ.

1.3 Быстрое прототипирование

Чаще всего 3D-принтеры применяются для быстрого прототипиро-вания (RP — Rapid Prototyping). К этому относятся концепты и функцио-нальные прототипы. Концепты представляют собой простые, нефункцио-нальные «черновики» дизайна продукта (например, бутылка без съёмной крышки) и предназначены для того, чтобы художники могли воссоздать свои идеи в физическом формате. Функциональные прототипы напротив — более сложны и позволяют оценить форму, соответствие и функции каждой части продукта перед тем, как пустить его в производство.


Функциональные прототипы и концепты создавались ещё до появ-ления 3D-принтеров с использованием трудоёмких методов и инструмен-тов. Поэтому на их производство нередко уходят много дней, недель или даже месяцев, а стоимость составляет тысячи или десятки тысяч долларов. 3D-принтеры могут создавать концепты и функциональные прототипы за несколько дней или даже часов, и за небольшую часть от стоимости тради-ционными способами изготовления. К примерам из этой отрасли можно отнести концепты автомобилей для Формулы-1.

1.4 Пресс-формы и другие инструменты производства

Помимо прототипов, 3D-принтеры используются для изготовления пресс-форм и других приспособлений для производственного оборудова-ния. Пресс-форма нужна для того, чтобы отливать в ней металлы или пластмассы. Как и прототипы, пресс-формы традиционно изготавливались вручную. Поэтому применение 3D-принтеров поможет сэкономить время и деньги крупным производителям. Например, используя принтеры Fortus компании Stratasys, автомобильный гигант Volvo Trucks из Лиона во Франции сократил время, необходимое для изготовления некоторых ком-плектующих двигателей — с 36 дней до 2.
В августе 2016 года американская Oak Ridge National Laboratory напечатала на 3D-принтере инструмент для торцовки и сверления 5,34 x 1,34 x 0,46 м для компании Boeing. Он применяется при строительстве пас-сажирских самолётов, и был напечатан из армированного углеродным во-локном пластика примерно за 30 часов. Раньше изготовление такой детали заняло бы три месяца. Как объяснил Лео Кристодулу из Boeing: «Инстру-менты аддитивного производства, такие как инструмент для триммирова-ния крыла: сэкономят энергию, время, рабочую силу и производственные затраты. Также они являются частью нашей стратегии по применению тех-нологии 3D-печати в производственных областях».

Глава 2. Применение технологии 3D в промышленности
2.1 Термопласты в 3D -печати

Цифровые 3D технологии оказывают огромное влияние на автомо-бильную промышленность. В секторе, где технологические инновации вы-званы постоянным стремлением оставаться конкурентоспособными. Бла-годаря огромным преимуществам 3D-печати с точки зрения экономиче-ской и производственной устойчивости, ее развитие приведет к изменениям в ближайшие годы.
В технологии свободной формовки "Fused Deposition Modeling" (FDM) трехмерная печать, зародившаяся в конце 1980-х годов, становится все более популярной. Фактически, Ford использует эту технологию с тех пор на стадии проектирования автомобилей, так как это быстрый и эффек-тивный способ физического развертывания компонентов перед оконча-тельным производством.
В 2005 году профессор Адриан Брауер инициировал проект RepRap – всемирное движение по саморепликации 3D-принтеров с ис-пользованием программного обеспечения с открытым исходным кодом, которое приблизило компанию FDM к потребительскому миру, создав но-вые исследовательские перспективы для инженеров.
Используя традиционные методы моделирования, инженер, проек-тирующий детали автомобиля на компьютере, должен ждать несколько ме-сяцев, чтобы построить прототип. В то время как 3D-печать сокращает время ожидания, до такой степени, что каждая деталь будет доступна в те-чение нескольких дней или всего нескольких часов. Можно даже получить прототип целого автомобиля в масштабе 1:1 по гораздо более низкой цене.

2.2 Применение 3D-технологий в машиностроении

Новые возможности появились после разработки и внедрения 3D-оборудования и в машиностроительной отрасли. Пока еще не везде, но в целом ряде направлений аддитивные технологии начали быстро выстес-нять традиционные методы производства. В машиностроении 3D-печать создает условия, позволяющие решать самые разные задачи эффективно, быстро и качественно. Среди этих задачи можно отметить следующие:
разработка прототипов и изготовление новых компонентов и агре-гатов (концепт-модели, тестовые образцы);
создание более современных систем и/или их элементов;
производство ремонта и/или замены старых деталей.
3D-оборудование на практике показало свою эффективность и воз-можности по производству более качественных и менее дорогих по себе-стоимости изделий.
Какие преимущества предоставляет машиностроителям 3D-печать?
Традиционные технологии ранее не позволяли делать компоненты со сложной геометрией. Для этого приходилось предпринимать массу бо-лее сложных и дорогих приемов, но не всегда с должным результатом. 3D-печать ликвидировала эту проблему и позволила делать детали самой раз-ной степени сложности и конфигурации.
3D-печать значительно сократила сроки производства. Весь про-цесс может занимать всего лишь несколько часов, в то время как произ-водство по традиционным методам - недели или месяцы.
3D-печать снижает роль «человеческого фактора», а в ряде случаев его полностью ликвидирует, что влечет за собой большую точность и бо-лее высокое качество изделий, а также сокращает возможность допуска ошибок.

2.3 Изготовление новых продуктов новыми способами

Как и предшествовавшая интернет-революция, 3D-печать позволяет компаниям и частным лицам достигать ранее невозможного. И причина не только в создании прототипов и старых вещей новыми способами. Она де-лает это в соответствии с новыми бизнес-моделями. Давайте обозначим эти ключевые преимущества.
Разовое и мелкосерийное производство
При использовании традиционных методов, разовое и мелкосерий-ное производство стоит дорого, а зачастую и непомерно. Когда вещи пе-чатаются на принтере, практически нет разницы в стоимости на единицу — то есть не важно требуются 1, 100 или 1000 копий, поскольку нет затрат на инструменты и рабочих. Поэтому во многих ситуациях, когда требуется несколько сотен или меньше компонентов, 3D-печать станет наиболее эко-номичным способом. Именно по этой причине, 3D-печать так широко применяется в быстром прототипировании и находит всё большее приме-нения при производстве пресс-форм и других инструментов.
Джей Лено, который увлекается коллекционированием автомоби-лей, уже пользуется 3D-печатью для разового производства. В качестве примера: когда на редком концептуальном автомобиле EcoJet потребова-лось заменить некоторые сломанные вентиляционные отверстия, он обра-тился в 3D Systems. Компания отсканировала сломанные детали, отремон-тировала их в цифровом виде с помощью программы CAD и отправила полученные данные поставщику услуг Quickparts. Там новые вентиляци-онные отверстия напечатали на 3D-принтере из лёгкого нейлонового мате-риала с наполнителем из волокон под названием DuraForm HST. В ре-зультате были получены надёжные запасные части, у которых соотноше-ние прочности и веса стало лучше, чем у оригинала.
3D-печать используют при изготовлении реквизита для телешоу, кино и театральных постановок. С помощью этой технологии SpaceX пе-чатает камеры двигателя космического корабля Crew Dragon, а NASA напечатала около 70 деталей для марсохода.
Кастомизация и персонализация
Помимо упрощения мелкосерийного производства идентичных ве-щей, трёхмерная печать позволяет настраивать продукцию в соответствии со вкусами покупателя и его физическими потребностями. Например, ком-пания Robot Bike Co. использует технологию, чтобы изготавливать раму горного велосипеда R160 под заказ. Она создаётся из углеродного волок-на, проходящего между титановыми выступами, которые печатаются на 3D-принтерах Renishaw. На сайте Robotbike.co покупатель вводит свой рост, размер ног и размах рук, что позволяет получить раму индивиду-ально под себя.


Велосипед R160 — отличный пример реального продукта, который сочетает в себе детали, напечатанные на 3D-принтере, с другими стандарт-ными компонентами. Это позволяет предложить продукт в соответствии с индивидуальными запросами экономичным способом. Я уверен, что со временем многие компании осознают потенциал «изделий на заказ» путём 3D-печати определённых деталей.
Оптимизация дизайна и сборки
Ещё одно ключевое преимущество 3D-печати состоит в том, что она снимает ограничения традиционных методов производства. Хотя дизайнер может придумать любой дизайн продукта, но если его компоненты нельзя отлить в форму, обработать и собрать — продукт никогда не появится на рынке. А в «дивном новом мире» 3D-печати можно создавать вещи, кото-рые ранее было невозможно изготовить. Например, такой принтер может изготовить цепочку или ожерелье, состоящее из звеньев, которые не имеют разрывов и, следовательно, никогда не разойдутся.
Команда TransFIORmers, участвующая в соревнованиях по мото-гонкам, использовала 3D-принтер Renishaw для печати из металла, чтобы изготовить новую подвеску оптимизированной конструкции. Первона-чальный вариант вручную изготавливался из стали, и при этом — для сборки требовалось двенадцать деталей, которые необходимо сваривать вместе. Но с помощью 3D-печати, команда смогла объединить конструк-цию в единый титановый компонент, который не требовал сборки, что привело к снижению веса на 40% — критически важной характеристики для гонок.
Используя пластмассовые или полимерные материалы, некоторые принтеры могут создавать рабочие, предварительно собранные, составные механизмы, такие как коробка передач. Традиционно, производство мно-гокомпонентных изделий включает этап окончательной сборки. Но когда вещи напечатаны на 3D-принтере — в этом нет необходимости.

2.4 Перспективы 3D печати в будущем

Уже сейчас перспективы 3D печати крайне многообещающие. Уче-ные активно развивают существующие методики 3D печати, разрабатыва-ют новые технологии и типы материалов, находят новые сферы примене-ния. Многие называют 3Д печать технологией будущего, и этому есть при-чины. Методика способна полностью перевернуть привычный уклад жиз-ни, изменив способ производства большинства вещей. По сути, 3D прин-тер – это настоящая многофункциональная фабрика, небольшая и ком-пактная. За счет этого будущее 3D печати вполне определенно можно назвать успешным.
3D принтеры способны значительно снизить производственные за-траты, за счет чего снизится и себестоимость изделий. Судя по нарастаю-щей тенденции к популяризации 3D технологий, в будущем основной то-варной единицей станет сырье для 3D печати. В целом, перспективы 3D печати определены для многих сфер. И сейчас мы постараемся максималь-но их раскрыть.
Будущее 3D печати
Если попытаться представить будущее 3D печати, воображение нарисует довольно интересную картину. Учитывая большой интерес уче-ных к методике 3D биопринтинга, которая представляет одну из наиболее перспективных технологий 3D печати, изготовление на 3D принтере искус-ственных органов не за горами. Также с уверенностью можно сказать, что будущее 3D печати принесет нам кардинальные изменения в таких сферах, как:
Строительство. 3Д печать домов, или контурное строительство, привлекает многих своей футуристичностью и простотой. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Пионерами в 3Д-печати домов стали ки-тайцы, следом за которыми контурное строительство открыло для себя правительство Дубая. В этом городе будущего уже построено первое 3D-печатное офисное здание, а в ближайшем будущем планируется напечатать целый квартал. А буквально недавно на 3D принтере был создан первый печатный дом в Европе;
Электроника. Перечисляя перспективы 3D печати, этому пункту следует уделить особое внимание. Ученые считают 3Д печать электроники будущим изготовления цифровых приборов, и небезосновательно. В настоящее время активно проводятся исследования свойств графена и его применения в аддитивном производстве. Огромный прорыв в этой области – создание на 3D-принтере графенового аккумулятора с неограниченным сроком эксплуатации;

 
Заключение

Вполне возможно, что в будущем с помощью 3D-принтера будет изготавливаться всё что угодно, включая даже человеческие органы. Наиболее заметно это в стоматологии: восковые модели, ортодонтические аппликации, примерки, хирургические шаблоны и модели виниров теперь печатаются на 3D-принтере.
Помимо создания неорганических протезов, существуют «биоприн-теры», которые наращивают человеческую ткань, накладывая слой за сло-ем живые клетки. Такая технология может совершить революцию в обла-сти медицины, к примеру, убрав очереди в доноростве органов. Компания Organovo — пионер биопечати — уже продаёт распечатанные ткани пече-ни и почек для использования при тестировании на наркотики.