Це може звучати футуристично, але 3D-принтери є скрізь. Але замислювалися ви, як працюють 3D-принтери і чи можуть вони змінити світ?
Уявіть, що ви можете використовувати домашній принтер для створення власного декору, музичних інструментів або камер. Або що, якби виробники могли друкувати автомобільні деталі на замовлення, або лікарі не турбувалися про списки донорів і могли б просто друкувати органи, які потрібні їхнім пацієнтам? Це і багато іншого можливо завдяки 3D-друку – і це відбувається вже зараз. Але як працюють 3D-принтери і чи може ними користуватися будь-хто?
Хоча механізми можуть бути складними, технологія стає все більш доступною і вона напрочуд екологічна.
Очікується, що до 2026 року ринок 3D-друку потроїться і досягне майже 45 мільярдів доларів у всьому світі. Навіть, 46-й президент Америки – Джозеф Байден високо оцінив технологію 3D-друку. “Технологія 3D-друку неймовірна”, – сказав Байден в травні 2022 року. “Вона може скоротити час виготовлення деталей на 90%, зменшити витрати на матеріали на 90% і вдвічі скоротити споживання енергії. Це все допомагає знизити витрати на виробництво товарів тут, в Америці”.
Як саме? Ось що вам потрібно знати про 3D-друк – від того, як він зараз використовується з реальними роботами, до того, як він пов’язаний з майбутнім переробки відходів.
Що таке 3D-принтер
Зрештою, 3D-принтери – це буквально просто принтери. Але замість того, щоб друкувати слова на папері, вони друкують 3D-об’єкти, шар за шаром, і можуть робити їх з усього, від вуглецевого волокна і порошків до пластику і металу. Вони також можуть поєднувати різні матеріали у своєму виробництві – наприклад, металеві об’єкти, які мають пластикові компоненти, такі як лопаті вітрових турбін і деталі двигунів – усуваючи потребу в декількох машинах (і робітниках) для виробництва об’єкта. Це може в кінцевому підсумку знизити витрати компаній, скоротити терміни створення продукту і усунути відходи.
3D-принтери призначені не тільки для заводських цехів. Споживачі також можуть використовувати їх вдома. Це передає виробництво в руки користувача. Якщо провести аналогію, то багато років тому для того, щоб зробити фотографію, потрібен був професійний фотограф. З розвитком фотографії люди могли робити фотографії самостійно, що призвело до вибуху фотографічного прогресу. Тут також, користувач може створювати і будувати, не залучаючи нікого іншого, що стимулює інновації і творчість.
Коли був винайдений 3D-друк
Як концепція, 3D-друк існує з 1945 року. Саме тоді письменник-фантаст Мюррей Лейнстер опублікував своє оповідання “Речі проходять повз”, в якому описав машину з рухомою рукою, яка могла перетворювати малюнки на 3D-об’єкти, створені з розплавленого пластику. Корпорація Teletype, яка винайшла струменеві принтери в 60-х роках, експериментувала з примітивними 3D-принтерами з використанням розплавленого воску в 1971 році, але тільки в 1980-х роках був створений перший справжній 3D-принтер.
Фізик Чарльз Халл запропонував ідею в 1983 році, коли використовував ультрафіолетове світло для зміцнення покриттів на стільниці, і запатентував цю технологію в 1986 році. Тоді він назвав процес “стереолітографія”. Призначена для використання в науково-дослідних лабораторіях і на виробничих підприємствах, вона виросла із загального розчарування повільними темпами виробництва і потребою в дрібних деталях в нових конструкціях.
Халл заснував компанію під назвою 3D Systems і розширив свої патенти, включивши до них не рідини. Автовиробники, лікарні та аерокосмічні компанії одразу ж зацікавилися перспективами цього винаходу. У 2014 році Халл був включений в Національний зал слави винахідників.
Скільки існує видів 3D-принтерів
Перш ніж відповісти на питання “Як працюють 3D-принтери?”, потрібно знати кілька речей. Почнемо з того, що 3D-принтери бувають різних розмірів і форм, починаючи від тих, що можуть поміститися на столі, і закінчуючи набагато більшими будівельними моделями, які використовуються для виготовлення 3D-друкованих стін і фундаментів для невеликих будинків.
Існує сім типів 3D-принтерів, кожен з яких має своє специфічне застосування. Моделювання плавленим осадженням (FDM) є найпопулярнішим через його високу точність, низьку вартість і великий вибір матеріалів. FDM-принтери можна використовувати для виготовлення всього, від захисних свистків до чохлів для навушників і тримачів для олівців, і це, як правило, те, що ви отримаєте, якщо купите 3D-принтер для домашнього використання.
Процес дуже простий. По суті, це більш дорогий пістолет для розплавлення клею. Великий відсоток цих машин використовується аматорами через низьку вартість і простоту. Серед найцікавіших речей, які можна створити за допомогою цього типу принтерів – 3D-друковані автомобілі, безпілотні літальні апарати і 3D-електрогітари.
Ось короткий огляд інших доступних 3D-принтерів:
- Стереолітографія: Промисловий процес друку, який використовується для створення прототипів продуктів, що розробляються, медичних моделей і комп’ютерного обладнання, стереолітографія створює продукти пошарово. Це швидко, але може бути дорого.
- Цифрова обробка світла: Цей тип 3D-друку використовує цифрові мікродзеркала і проектоване джерело світла. Він популярний в стоматологічній, медичній та ювелірній галузях.
- Селективне лазерне спікання: SLS використовує лазер як джерело енергії та тепла для спікання порошкоподібних матеріалів. Застосовується для швидкого створення прототипів і дрібносерійного виробництва комплектуючих деталей.
- Селективне лазерне плавлення: Подібно до селективного лазерного спікання, селективне лазерне плавлення використовує шар порошку з джерелом тепла для створення металевих деталей. Застосовується у виробництві аерокосмічних промислових компонентів, деталей двигунів, а також стоматологічного та медичного інженерного обладнання, такого як імплантати та протези.
- Виготовлення ламінованих об’єктів: Вважається швидким і недорогим способом 3D-друку об’єктів з різних матеріалів, виробництво ламінованих об’єктів в основному використовується для швидкого створення прототипів, на відміну від виробництва. Оскільки дизайнери можуть швидко створити масштабну модель за допомогою цього виду 3D-друку, вони часто використовують його для презентації нових концепцій інвесторам, замовникам і клієнтам.
- Цифрове променеве плавлення: Це, можливо, найскладніший вид 3D-друку, і для використання технології електронно-променевого плавлення потрібен кваліфікований фахівець. Він часто використовується для друку компонентів для автомобільної, аерокосмічної, оборонної та медичної промисловості.
Скільки коштує 3D-принтер
Вірте чи ні, але любитель може придбати 3D-принтер за ціною від 300 до 500 доларів. Звичайно, чим більше задіяні 3D-принтери, тим вони недешеві, і чим більш спеціалізована і складна область, тим вищі витрати. Професійний 3D-принтер, який використовується для виготовлення меблів, продуктів харчування або промислових виробів, може коштувати від 1000 до 10 000 доларів, хоча деякі з них в автомобільній, медичній та аерокосмічній галузях – особливо ті, що використовують більш просунутий штучний інтелект – коштують від 500 000 до 1 мільйона доларів. І ця ціна не враховує витрат на матеріали, експлуатацію і технічне обслуговування. За даними онлайн-журналу про друк All3DP, лише кілограм металевого порошку може коштувати до 600 доларів.
Як працюють 3D-принтери
Як зазначалося раніше, 3D-принтери працюють за допомогою процесу, відомого як адитивне виробництво, в якому використовується система автоматизованого проектування, або САПР. Це технічний спосіб сказати, що 3D-принтер використовує комп’ютерну програму для побудови об’єкта шар за шаром. Хоча кожен 3D-принтер працює дещо по-різному, основна концепція починається з проектування об’єкта, який ви хочете надрукувати, на комп’ютері. Програмне забезпечення для моделювання неймовірно точне, і воно створює 3D-модель вашого дизайну. Rhino – одна з найпопулярніших програм для 3D-друку на ринку в даний час.
Коли ви друкуєте своє творіння на 3D-принтері, воно виходить шматочками. Кожен маленький шар склеюється між собою, утворюючи єдиний об’єкт знизу вгору. Кожен тонкий шар, що перекривається, може бути досить складним і навіть включати рухомі частини, такі як шарніри і колеса. Цей процес триває до тих пір, поки модель не буде завершена.
Найпоширенішим матеріалом, з якого 3D-принтери будують об’єкти, є термопластична нитка, яка по суті є “чорнилом” в цих принтерах. Цей матеріал відомий своєю гнучкістю та довговічністю. Інші матеріали, які використовують 3D-принтери, включають пластмаси, порошки, смоли та метали. Оскільки 3D-принтер створює тільки те, що програма наказує йому створити, на відміну від виготовлення його з об’ємної сировини, цей тип виробництва може зменшити кількість відходів, створюючи більшу стійкість у бізнесі та спричиняючи позитивний ефект для навколишнього середовища.
Що можна зробити за допомогою 3D-принтера
Теоретично за допомогою 3D-принтера можна виготовити все, що завгодно, хоча основними сферами його використання є виробництво та створення прототипів, будівництво, медицина та освіта. Наразі ми маємо можливість виготовляти телескопи, фотоапарати, металеві деталі для машин, пластикові іграшки, керамічні чашки, вази з керамограніту і навіть торти – так, торти, які можна їсти! Аматори можуть створювати непромислові предмети в домашніх умовах, а багато хто навіть продає свої вироби в Інтернеті як підробіток. Зараз найпопулярнішими 3D-друкованими об’єктами є костюми, аксесуари, реквізит, мініатюрні фігурки та кашпо.
3D-принтери також були ключовим інструментом у розпал пандемії COVID-19, коли не вистачало засобів індивідуального захисту. Лікарні покладалися на 3D-принтери для забезпечення персоналу халатами, масками та респіраторами, а також для створення деталей для апаратів штучної вентиляції легенів. Один старшокласник із Сіетла навіть керував фабрикою масок у себе вдома за допомогою 3D-принтера.
Досягнення в медицині, мабуть, є одними з найбільш захоплюючих, оскільки вчені можуть створювати протези і імплантати за допомогою 3D-друку. Вони також можуть створювати справжні частини тіла, такі як вуха, зі стовбурових клітин, колагену і структурних білків людського тіла, які називаються фібрином; цей процес відомий як біодрук, хоча більша його частина все ще перебуває на стадії тестування. Крім того, дослідники можуть легко і етично тестувати фармацевтичні препарати за допомогою тканин, створених на 3D-принтерах.
Яке майбутнє чекає на 3D-друк
У майбутньому дизайнери та аматори, можливо, не задаватимуться питанням “Як працюють 3D-принтери?”, оскільки 3D-принтери, ймовірно, будуть настільки тісно вплетені в наше повсякденне життя. Сьогодні дітям розповідають про 3D-друк у деяких школах та університетах. В США, наприклад, багато місцевих бібліотек вже мають у своєму розпорядженні такі пристрої. Тому у найближчому майбутньому, 3D-друк буде розповсюджений як і звичайний друк на бумазі.
Чесно кажучи, можливості безмежні в аерокосмічній, електронній, медичній, енергетичній та автомобільній галузях, де 3D-принтери стануть ще більш важливими інструментами. Хоча це може бути зручно, коли мова йде про автомобілі, які можна налаштувати для покупців, це ще більш важливо в медичній галузі. Хоча до 3D-друкованих органів, таких як нирки, нам ще, мабуть, 10-15 років, цей науковий прогрес, безумовно, вже на горизонті.
І розглянемо можливості в космосі, де ринок оборонного та аерокосмічного 3D-друку, як очікується, досягне 5 мільярда доларів до 2026 року. У майбутньому 3D-друк може трансформувати дослідження космосу і космічний туризм, дозволивши астронавтам створювати необхідні їм об’єкти за запитом – перебуваючи в космосі. Уявіть собі майбутнє, в якому будівлі та їжа створюються в космосі!
Коли можна буде друкувати майже все вдома? Ми наближаємось до цього. Ми стоїмо на порозі виробничої епохи, яка може мати такий же вплив, як і інформаційна епоха.
