3D-принтер — Википедия

Переключиться на устаревший парсер

3D-принтер — станок с числовым программным управлением , реализующий только аддитивные операции , то есть добавляющий порции материала к заготовке. Обычно использует метод послойного нанесения материала, однако существуют и методы непрерывного формирования детали в объёме жидкого фотополимера , при которых деталь не делится на слои, а формируется целиком [ 1 ] .

3D-печать относится к классу аддитивных технологий и изначально была ориентирована для задач быстрого прототипирования , в настоящее время данная технология широко применяется на промышленных предприятиях для мелкосерийного производства, включая изготовление как элементов конечной продукции, так и функционально законченных конструктивных компонентов.

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания («выращивания») твёрдого объекта.

Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей [ 5 ] .

Биопринтеры — экспериментальные установки, в которых печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится каплями, содержащими живые клетки [ 6 ] . Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта. В 2013 году китайские учёные начали печатать уши, печень и почки — из живой ткани. Исследователи Ханчжоу Dianzi университета разработали 3D-биопринтер, названный «Regenovo». Сюй Минген, разработчик Regenovo, прогнозировал тогда, что полностью функциональные печатные органы, вероятно, будут созданы в течение ближайших десяти-двадцати лет [ 7 ] [ 8 ] . В том же году исследователи из университета Хассельт в Бельгии успешно напечатал новую челюсть для 83-летней бельгийки [ 9 ] . В начале 2016 года вице-президент центра « Сколково » Кирилл Каем сообщил: «щитовидная железа, напечатанная на российском 3D-принтере…, имплантирована и успешно функционирует в организме лабораторной мыши… Они собираются печатать и другие органы, идет речь про почку, про печень. Пока все это лабораторный уровень, но это позволит и саму машину развивать» [ 10 ] .

Также применяются различные технологии позиционирования печатающей головки:

Декартова , когда в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели.

При помощи трёх параллелограммов , когда три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке (см. статью Дельта-робот ).

Автономная , когда печатающая головка размещена на собственном шасси, и эта конструкция передвигается целиком за счёт какого-либо движителя, приводящего шасси в движение [ 11 ] .

3D-принтер с вращающимся столиком — использование на одной (или нескольких) осях вращения вместо линейного передвижения.

Ручная , когда печатающая головка выполнена в виде ручки/карандаша, и пользователь сам подносит её в то место пространства, куда считает нужным добавить выделяемый из наконечника быстро затвердевающий материал. Назван такой прибор « 3D-ручка », и к 3D-принтерам может быть отнесён с известной натяжкой. Существуют варианты с использованием термополимера, застывающего при охлаждении, и с использованием фотополимера , отверждаемого ультрафиолетом [ 12 ] .

(3D-печать защиты для лица)

(Модели сделаны при использовании 3D-ручки)

Для быстрого прототипирования , то есть быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.

Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное решение для мелкосерийного производства.

Изготовление моделей и форм для литейного производства .

Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри», что в частности было использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля ещё при разработке.

Производство различных мелочей в домашних условиях.

Производство сложных, массивных, прочных и недорогих систем. Например, беспилотный самолёт Polecat [англ.] компании Lockheed , большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трёхмерной печати.

Изготовление лекарств, протезов и органов.

Для строительства зданий и сооружений [ 13 ] [ 14 ] .

Для создания компонентов оружия ( Defense Distributed ). Существуют эксперименты по печати оружия целиком [ 15 ] .

Производства корпусов экспериментальной техники (автомобили [ 16 ] , телефоны, радиоэлектронное оборудование)

Пищевое производство [ 17 ] .

В 2012 году сетевая организация Defense Distributed анонсировала планы «разработать работающий пластмассовый пистолет, который любой человек сможет скачать и напечатать на 3D-принтере» [ 18 ] [ 19 ] . В мае 2013 года они закончили разработку, продемонстрировав свой первый стреляющий образец — пистолет Liberator , разработанный Коди Уилсоном, однако вскоре после этого Государственный департамент США потребовал удалить инструкции с веб-сайта [ 20 ] . После долгих судебных разбирательств Defence Distibuted смогла отстоять своё право и достигла соглашения с властями США, позволявшего им распространять свои 3D-модели оружия. [ 21 ]

21 ноября 2013 года в Филадельфии (США) был принят закон, запрещающий изготовление огнестрельного оружия с помощью 3D-принтеров [ 22 ] .

В Великобритании нелегальны производство, продажа, приобретение и владение оружием, напечатанным на 3D-принтере [ 23 ] .

В 2014 году начался прорыв в области строительства зданий с использованием 3D-печати бетоном .

В течение 2014 года шанхайская компания WinSun анонсировала сначала строительство десяти 3D-печатных домов, возведённых за 24 часа, а после напечатала пятиэтажный дом и особняк [ 24 ] .

В Университете Южной Калифорнии прошли первые испытания гигантского 3D-принтера, который способен напечатать дом с общей площадью 250 м² за сутки. [ 25 ]

В октябре 2015 года в рамках выставки «Станкостроение» ( Крокус-Экспо ) были представлены российские разработки и промышленные образцы строительных 3D-принтеров [ 26 ] .

В мае 2016 года состоялось открытие первого в мире здания, напечатанного на 3D-принтере — офиса Dubai Future Foundation [ 27 ] .

В феврале 2017 года первый дом, полностью напечатанный на 3D-принтере, создали в России, в подмосковном Ступине . Он был целиком напечатан на стройплощадке, а не собран из деталей, созданных в заводских условиях [ 28 ] .

Американская компания Apis Cor сумела построить дом с помощью 3D-принтера. Площадь — 38 м² и построен дом всего за сутки. По словам компании, материал, использованный при строительстве, сможет простоять минимум 175 лет. Дом оснащён всеми коммуникациями, в нём есть коридор, гостиная, ванная комната и компактная кухня. Цена такого дома составила 10 134 доллара США. Этот принтер способен построить здание любого размера и формы. Единственным ограничением являются законы физики, сообщают представители компании. [ 29 ]

В швейцарской коммуне Риом-Парсонц установлена инсталляция из 9 индивидуально спроектированных бетонных колонн высотой 2,7 м каждая, распечатанных на строительном фаббере [ 4 ] (изготовлены без опалубки в полную высоту за 2,5 часа на основе 3D-печати). [ 30 ]

Автоматизация в строительстве приносит огромную экономию средств. Компания,которая строит экологически чистые высококачественные дома с помощью 3D-печати и автоматизации, Mighty Buildings, заявляет, что компьютеризация 80% процесса печати означает, что фирме требуется только 5% от той рабочей силы, которая была бы задействована ранее. Это также удваивает темпы производства.

В селе Айша Зеленодольского района Татарстана впервые в России началось строительство комплекса жилых домов при помощи 3D-печати. [ 31 ]

Американское управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration — FDA ) в 2015 году впервые в мире одобрило производство таблетки с помощью 3D-печати. Лекарство Spritam разработано компаний Aprecia Pharmaceuticals и предназначено для контроля судорожных приступов при эпилепсии [ 32 ] .

Методом 3D-печати изготавливаются протезы [ 32 ] и имплантаты [ 33 ] [ 34 ] .

В 2018 году на 3D-принтере напечатали уменьшенные сердца из человеческих клеток с целью проверить метод, пересадив такие сердца животным на животных [ 35 ] [ 36 ] . В 2019 году опубликован отчёт об успешном изготовлении роговицы глаза [ 37 ] [ 38 ] Успешно прошли трансплантации людям напечатанных на 3D-принтере ушных раковин и мочевого пузыря. [ 39 ]

После создания 3D-модели используются САПР -системы, поддерживающие управление 3D-печатью. В большинстве случаев для печати используют формат файла STL , а также в некоторых случаях XYZ . Практически все принтеры имеют свое собственное ПО для управления печатью, причём часть — коммерческие, часть с открытым исходным кодом. Например, 3D-принтеры PICASO 3D — программа Polygon, 3DTouch — Axon 2, MakerBot — MakerWare, Ultimaker — Cura. Prusa — Prusa Slicer. Однако вышеупомянутые Cura и Prusa Slicer, а так же Slic3r способны работать с различными принтерами других компаний/собранными самостоятельно.

Наиболее распространённые расширения файлов, применяемых в 3D-печати [ 40 ] :

OBJ — открытый формат файла, поддерживаемый большинством программ 3D-моделирования и принтеров для 3D-печати;

STL — используется для бесцветной и одноцветной печати [ 3 ] ;

VRML (или WRL) — применяется для цветной 3D-печати, поддерживает использование текстур, совместим с программами 3D Builder и Print 3D, входящими в штатный набор программ Windows 10;

X3G — тип файла для 3D-принтеров MakerBot;

PLY — формат файлов, используемых в 3D-сканировании;

FBX — формат файлов, разработанный компанией Autodesk, применяется для обмена данными между программами 3ds Max, Autodesk Maya и другими программными продуктами данной компании;

GCODE — формат файлов, используемый многими 3D-принтерами для управления процессом печати. Файлы GCODE могут быть открыты с помощью различных программ 3D-печати, например, Simplify3D, GCode Viewer, а также с помощью текстового редактора, поскольку их содержимое представляет собой обычный текст.

STEP — формат файлов для печати в современных слайсерах Cura, PrusaSlicer, OrcaSlicer, Bambu Studio, Simplify3D. Формат файлов STEP (Standard for the Exchange of Product model data, или ISO 10303) — это стандартизированный, высокоточный формат для обмена 3D-моделями, деталями и проектными данными между различными CAD/CAM-программами. Файлы STEP, часто с расширениями .step или .stp, сохраняют полную информацию о 3D-геометрии, включая свойства материалов, цвета, текстуры, а не только сетку, что делает их универсальным и надежным для инженерии, проектирования и производства.

(Частично реплицирующийся (способный воссоздать самого себя) трёхмерный принтер RepRap версия 2.0 (Мендель))

Некоторые недорогие 3D-принтеры могут распечатывать часть собственных деталей. Один из первых подобных проектов — RepRap (реализуется английскими конструкторами из университета Бата ), который производит более половины собственных деталей. Проект представляет собой разработку с общедоступными наработками и вся информация о конструкции распространяется по условиям лицензии GNU General Public License . Ярким активистом движения 3D-печати и этого сообщества можно с полной уверенностью считать молодого изобретателя из Чехии Йосефа Пруши, в честь которого была даже названа одна из самых известных моделей трёхмерного принтера — «Mendel Prusa».

Выбросы и процессы углеродных наночастиц с использованием порошковых металлов являются высокогорючими и повышают…