Mi a 3D nyomtatási technológia - működik, alkalmazások és akadályok?

Ezek a forradalmi nyomtatók egyre inkább láthatóak mindennapi életünkben:

Guns. 2013-ban az önkéntes „kriptoanarchista”, Cody Wilson 3D nyomtatási technológiával műanyag fegyvert tervezett, készített és nyomtatott. Cody lövöldözött és az ágyon eljuttatta a fegyverhez tartozó CAD fájlokat az interneten. Több mint 100 000 letöltés történt, mielőtt az amerikai kormány bezárta a webhelyet. 2014 májusában Yoshitomo Imura-t letartóztatták Japánban öt 3D-s nyomtatott fegyver birtoklása miatt.
kozmetikum. A TechCrunch Disrupt show-n, New York City-ben, 2014 májusában, Grace Choi, a MBA diplomás Grace Choi bemutatta a Mink-t, egy kevesebb, mint 200 dolláros költségű 3D nyomtatót, amely egyesíti az FDA által jóváhagyott tintát különféle szubsztrátumokkal, bármilyen smink készítéséhez, porokból, tejszínre, rúzsra. Choi szerint: „A nagy sminkvállalatok elviszik a pigmentet és az aljzatokat, összekeverik őket, majd felveszik az árat. Ugyanezt csináljuk, és hagyjuk, hogy a smink közvetlenül a saját házában legyen. "
Testrészek. A TIME magazin 2013. évi jelentése szerint a 3D nyomtatók már a test sejtjeiből kivágják a testrészeket, például a füleket és az orrokat. A korai szakaszban a technológia ígéretes a kozmetikai és plasztikai sebészetben.
Étel. A Massachusettsi Technológiai Intézet kifejlesztett egy 3D nyomtatót az ételekhez, melynek neve „Cornucopia”, a Francia Kulináris Intézet pedig a Cornell által kifejlesztett FabatHome-ot használja az ételkészítéshez. A „Star Trek” -ben ábrázolt űrkországi élelmiszer-replikátorok talán nem olyan távol a jövőben, mint gondolnánk.
Törvényszéki és régészeti. A „CSI: New York” televíziós műsorban a 3D-s nyomtatás a golyó replikálására szolgál a testben a műtét elkerülése érdekében. A régészek replikálhatják a törékeny tárgyakat a kutatáshoz anélkül, hogy az eredeti felbecsülhetetlen tárgyakat rongálnák. Például a Discovery Time Square King Tut kiállítás látogatói láthatták a múmia szinte azonos 3D-s nyomtatott másolatát a Materialize cégnél..

Michelangelo egyszer elmagyarázta, hogy minden kőtömbön szobr található, és a szobor feladata, hogy felfedezze. Amint a művész megérti a kívánt háromdimenziós képet, feladata az, hogy óvatosan aprítsa le az idegen anyagot, hogy felfedje a rejtett szerkezetet. Ha Michelangelo képes lett volna 3D nyomtatót használni, kreatív folyamata pontosan az ellenkezője lenne: semmitől kezdve, és mentális képet fokozatosan létrehozva anyag hozzáadásával, amíg a kívánt forma meg nem fejeződött.

Hogyan működik a 3D nyomtatás?

A „3D nyomtatás” kifejezés félrevezető, mivel kevés hasonlóságot mutat a kétdimenziós nyomtatással, amikor a tintát a papírra alkalmazzák. A folyamat ugyanakkor hasonló a nyomtatáshoz, mivel ennek eredményeként különböző anyagrétegek halmozódnak fel egymás után, különböző alakban, hogy szilárd háromdimenziós tárgyat hozzanak létre. A pontosabb leírás az „adalékanyag-előállítás” lenne, a hagyományos gyártástól eltérő létrehozási módszer, amely a szilárd anyag eltávolításán alapul egy nagyobb formálatlan tömegű anyagból.

A folyamat számítógépes tervezéssel (CAD) vagy 3D szkennerrel kezdődik, amely a modellt digitális, háromdimenziós mérésekké alakítja. A kiválasztott anyag (folyadék, por, papír vagy lap) felhasználásával több vékony réteget helyeznek a helyére, és hevítéssel, keményítéssel, központosítással, laminálással vagy foto-polimerizációval olvadnak össze, hogy egyetlen egységes tárgy legyen..

A 3D nyomtatási technológia az elmúlt harmadik században fejlődött; a 2014. évi Patent Insight Pro jelentés mintegy 2635 szabadalmat sorolt fel a 3D nyomtatási technológiával kapcsolatban, amelyeket az 1970-es évek eleje óta bocsátottak ki. Noha az egyes szabadalmak igényeikkel és a szabadalom kiadásának indokolására vonatkozó sajátosságokkal rendelkeznek, ezeket általában a következők alapján lehet kategorizálni:

Azonosított technológiai folyamat. A 3D nyomtatásban jelenleg 33 különféle eljárást alkalmaznak, kezdve az olvasztott lerakódás modellezéssel (FDM) - a hőre lágyuló anyagok felmelegítésétől a félig folyékony állapotokig, majd rétegekre extrudálással számítógépes irányítású úton - a sztereolitográfiáig, eljárás, amelynek során az ultraibolya lézer megszilárdítja a folyékony fotopolimer réteget, amikor azt egy folyékony polimer tartályba merített platformon emelik fel vagy süllyesztik, hasonlóan a bevonatot a festékréteg után, amíg a több réteg a kész részből áll.
A szabadalomban meghatározott anyagok. Eddig a kiadott szabadalmak 45 különféle anyagot fednek le, beleértve kerámia, agyag, palládium, papír, gumi, ezüst, titán és viasz.
Használat vagy alkalmazás. Végül legalább 22 kereskedelmi alkalmazás volt a 3D nyomtatásban, beleértve az építőipart, a védelmi és az élelmiszeripart.

A 3D nyomdaipar állapota

Számos iparági megfigyelő állítja, hogy a tömegpiacra való bejutás eddig nem volt a különféle vállalatok széles körű szabadalmainak és a szellemi tulajdonjogi pert indító tényezőknek köszönhető. Egyszerűen fogalmazva: a vállalatok nem költöttek el forrásokat a technológia kiaknázására, mert félnek a pereléstől.

Ez a versenykorlátozás az új belépőket a piacon kívül tartotta és magas volt az árak; túlságosan magas, hogy támogassák a tömegpiaci fogyasztói alkalmazásokat. Mivel az alaptechnológiára vonatkozó szabadalmak száma 2013-ban és még annál is lejárt 2014-ben és 2015-ben, valószínűleg új termékek robbanása és a berendezés árainak csökkenése hasonló, mint az egyéb elektronikus hardverek, például televíziók, számítógépek csökkenése esetén. , és mobiltelefonok. Az alacsonyabb árak először széles körű hozzáférést biztosítanak a fogyasztók számára.

Pete Basiliere, a 3D nyomtatás vezető Gartner elemzője szerint egy 2016-ban megjelenik egy olyan kényszerítő fogyasztói alkalmazás - olyasmit, amelyet csak 3D-s nyomtató készíthet otthon -, és hasonló hatással lesz a 3D-s nyomtatókra, mint a számítógép vagy a kamera hozzáadása egy mobiltelefonhoz. A Gridlogics Technologies jelentése szerint a technológia tömegpiaci elemré válik, mivel lehetővé teszi a fogyasztók számára, hogy a hagyományos gyártási módszerekkel előállított közös háztartási tárgyakat kicseréljék vagy létrehozhassák, és tartalmazzák a marketing, a logisztika és a készletkarbantartás kapcsolódó költségeit. Charles W. Hull, az 1980-as évek közepén az első 3D nyomtató alkotója, valamint a 3D Systems társalapítója és technológiai tisztviselője azt jósolja, hogy az ipar ezen az évtized végére 4,5 milliárd dolláros üzletet fog létrehozni..

A 3D nyomtatás alkalmazásai

A 3D nyomtatás jövőbeni felhasználását még felfedezik. Az alábbiakban felsoroljuk a jelenleg folyamatban lévő alkalmazásokat, amelyek valószínűleg először általánosak.

1. Orvosi
A CNN szerint a 3D nyomtatókat már a kutatók használják apró szervszövet-csíkok (bionyomtatás), valamint az arcrészek (fül és orr) kinyomtatására. A nyomtatott szerveket, mint például a vese vagy a máj - a technológia fejlődésének következő szakasza - kezdetben fel lehet használni a gyógyszer- és oltóanyag-teszteléshez, és végül a transzplantációkhoz nagyon szükséges szerveket lehet előállítani..

Basiliere kijelenti: "Az emberi szervek és szövetek kinyomtatására képes 3D-s bionyomtatási létesítmények sokkal gyorsabban haladnak, mint a technológia következményeinek általános megértése és elfogadása." Mike Titsch, a 3D Printer World főszerkesztője válaszul azt állítja: „Sok jelentős orvosi áttörés morális ellenállást szenvedett, a szervátültetésektől az őssejtekig. Csak a gazdagok engedhetik meg maguknak? Játsszunk Istent? Végül az életmentés hajlamos az összes kifogás ütésére. ”

2. Mesterséges végtagok
A washingtoni egyetemi hallgatók kifejlesztettek egy protéziskarot egy 13 éves lány számára, aki csónakázási baleset során elvesztette végtagját. Noha nem olyan fejlett, mint más protézisek, az anyagok 200 dolláros költsége lényegesen alacsonyabb volt a hasonló eszközök 6000 dolláros költségeinél, ez egy olyan tényező, amely megakadályozza a széles körű alkalmazást sok vállalatban.

Kylie Wicker, az illinoisi Rockland államból, a bal kezén ujjak nélkül született. Műanyag 3D-s nyomtatott ujjakkal 5 dollárért kapott egy középiskolai mérnöki osztály. Egy kanadai professzor egy 3D nyomtatási folyamaton dolgozik annak érdekében, hogy protektív végtagjait Ugandába küldjék tartós polgárháborúik áldozatainak..

3. Divat
A Fashion a 3D nyomtatást felhasználva vizuálisan lenyűgöző ruhákat és kiegészítőket készített a New York Fashion Week 2013 kifutópályáin, valamint egy egyedülálló „füst” ruhát, amelyet a 2013. évi frankfurti Nemzetközi Autószalonon mutattak be. A füstöltözék automatikusan füstfátylat hoz létre, amikor valaki belép a viselő személyes tereibe.

Lady Gaga a 2013-as ArtRave-on viselte a világ első repülő ruháját, a Volantis-t, egy másik 3D-s nyomtatott ruhát. A Continuum kínálja a világon első használatra kész, teljesen 3D-s nyomtatott bikini-t, az N12-et, amelyet elnevezett anyagból készítettek: Nylon 12.

4. Prototípusok és tesztmodellek
Az Oxfam International, egy 17 szervezetből álló nemzetközi szövetség, amelynek célja, hogy gyakorlati, innovatív módszereket találjon az emberek számára a szegénységből való kilépéshez, és a MyMiniFactory.com közreműködésével innovatív terveket dolgoztak ki a vízhigiénia problémáinak megoldására a harmadik világ országaiban. A formatervezési minták gyorsan kinyomtathatók, tesztelhetők és módosíthatók, mielőtt a tömegtermelésbe helyezik őket. Míg még a folyamat elején van, a szponzorok úgy vélik, hogy az új eszközök gyors tesztelése és a 3D nyomtatással lehetséges későbbi módosítások sikeresnek bizonyulnak az olyan humanitárius projektekben, mint kézi higiéniai eszközök a jelenlegi 2,4 millió szíriai menekült számára, akik zsúfolt, ananitéziai körülmények között élnek..

Enrico Dini olasz feltaláló kifejlesztett egy 3D nyomtatót, az úgynevezett D-alakzatot, amely homokrészecskéket köti össze, hogy üledékes kő alakuljon ki. Állítólag a nyomtató lehetővé teszi egy épület négyszer gyorsabb építését, mint a szokásos eszközök, a költségek felével. Az Urbee, a Kor Ecologic által tervezett hibrid autó, egy kétüléses, amely gallononként 200 mérföldet ér el, becsült költsége körülbelül 20 000 dollár, és amelyet teljes egészében 3D nyomtatás gyárt.

5. Személyes használat
Az emberek nyomtathatnak egyedi ékszereket, háztartási cikkeket, játékokat és szerszámokat bármilyen méretű, alakú vagy színűekre, és otthonukban kinyomtathatják a cserealkatrészeket, ahelyett, hogy megrendelnék őket, és várnák, hogy megérkezzenek. . A Strategy Analytics kutató cég szerint az otthoni 3D nyomtatás 2030-ra évente 70 milliárd dolláros ipará válhat.

Az élelmiszer-3D nyomtatók végre megoldhatják azt a problémát is, hogy a gyermekeket megeszik a zöldségeikre, mivel a szülők képesek lesznek mindenféle formára formázni őket. Talán egy finom kisgyermek meggyőződhet arról, hogy megeszi a kelbimbót, ha dinoszaurusz formájában készítették őket..

A 3D nyomtatás akadályai

Noha a 3D nyomtatók ígérete jelentős, ugyanolyan jelentős akadályokat kell leküzdeni, mielőtt az elérné az iparági támogatók elvárásait.

1. Az egyszerű, olcsó fogyasztói nyomtatók hiánya
Az 1000 dollárnál kevesebbet árusító 3D nyomtatók korlátozott képességgel rendelkeznek, működésük nehéz lehet, megbízhatatlanok, és használatához kézzel kell összeállítaniuk. Noha ezeket a hibákat végül kiküszöböljük, jelentős próbálkozás és hiba, és időbe telhet, amíg megfizethető fogyasztói modell áll rendelkezésre.

A stratégia + vállalkozás 2013. évi cikke megjegyzi, hogy „függetlenül attól, hogy milyen olcsóvá válik a 3D nyomtató, a gyártóüzem továbbra is méretgazdaságosságot kínál az alapanyagok nyomtatásához.” A cikk azt is megkérdezi, hogy a fogyasztó otthon 3D-s nyomtatót használ-e műanyag villának vagy sakknak a készítéséhez, ha meg tudja vásárolni a helyi Walmart-ról.

2. A nyomtatáshoz megfelelő anyagok hiánya
A jelenleg fogyasztói árakon (2500 dollár vagy annál kevesebb) elérhető nyomtatók az olvasztott lerakódás modellezési technológiájára, valamint a PLA és az ABS műanyagokra támaszkodnak. Ez az anyag nem erős és korlátozottan használható. A szakértők úgy vélik, hogy a következő generációnak szén-kompozitokat és fémeket kell felhasználnia, ha az átlagfogyasztó számára hasznos lehet.

Az Egyesült Királyság The Telegraph egyik 2014. évi cikke az új technológia támogatóit sérti, akik ilyen fényes jövőt hirdetnek, megjegyezve, hogy még a sikeres otthoni 3D nyomtatók „olyan modelleket hoznak létre, amelyek úgy néznek ki, mintha néhány órán át a hűtőn maradtak volna”. Az író folytatja, hogy bár nagyon jó fegyverrészeket feltölteni az internetre, de a fém készítéséhez szükséges eszközök nélkül (a 3D-s nyomtatók még nem rendelkeznek kapacitással), „nagyobb valószínűséggel veszi le a karod, mint lőj egy golyót.

3. A CAD-tervezés ismerete
Noha a különféle objektumokhoz letölthető fájlok elérhetőek olyan webhelyekről, mint a Thingiverse és a Shapeways, ezek általában műszaki jellegűek, és lehet, hogy nem kompatibilisek minden 3D nyomtatóval. A nyomtatókat övező marketing hype miatt a nyomtatók működését könnyebben ábrázolhatják, mint a tényleges felhasználók tapasztalatait.

Tom Meeks, a 3D nyomtató felhasználók blogjának közreműködője rámutat a 3D nyomtatók és a Keurig kávéfőző rendszerek közötti párhuzamosságra, valamint a fogyasztói formatervezés és a könnyű használat fontosságára, megjegyezve, hogy Keurignak 16 évbe telt, mire a mai piaci elfogadottság megszerezte. És fel kell ismerni, hogy sokkal több kávéfogyasztó létezik, mint a potenciális 3D nyomtató felhasználók számára. A marketingszakértők úgy vélik, hogy a nyomtatóknak ugyanolyan egyszerűen kell működniük, mint a hagyományos lézer- vagy pontmátrixnyomtatóknak, ha széles körben elfogadják őket..

4. Lassú, rendetlen és potenciálisan veszélyes
Bár a nyomtatók kiválóan alkalmasak egyedi vagy bonyolult, drága tárgyakra, a nyomtatók túl lassúak a tömeggyártáshoz. A felhasznált anyagok és felhasználásuk során keletkező kibocsátásuk, különösen a porok rendetlenek és potenciálisan mérgezőek lehetnek. Végül, a jelenlegi 3D nyomtatók PLA műanyaggal működnek nagyon magas hőmérsékleten (220–230 fok). Noha ezek a problémák nem legyőzhetetlenek, időre és befektetésekre van szükség a leküzdéshez.

Záró szó

Nem ismeretes, hogy a 3D-s nyomtatók hatással lesznek-e a televízióra, a számítógépre vagy a mobiltelefonra. A technológia fejlődésével a lehetőségek és az előnyök végtelenek. Ez természetesen egy olyan technológia, amelyet egy ésszerű fogyasztó megismer és készen áll a használatra, ha érlelődik és fogyasztási termékré válik.

Mit gondolsz? Érdekel egy 3D nyomtató birtoklása?