Mikä on 3D-tulostustekniikka - miten se toimii, sovellukset ja esteet

Nämä vallankumoukselliset tulostimet näkyvät yhä enemmän jokapäiväisessä elämässämme:

• Guns. Vuonna 2013 itse julistautunut ”salausanarkisti” Cody Wilson suunnitteli, loi ja painoi muovipistoolin 3D-tulostustekniikan avulla. Cody ampui laukauksen ja jakoi aseen CAD-tiedostot Internetissä. Latauksia oli yli 100 000, ennen kuin Yhdysvaltain hallitus sulki sivuston. Yoshitomo Imura pidätettiin Japanissa toukokuussa 2014 viiden 3D-painetun aseen hallussapidosta.
• Kosmetiikka. TechCrunch Disrupt -näyttelyssä New Yorkissa toukokuussa 2014 Harvardin MBA-tutkinnon suorittanut Grace Choi esitteli alle 200 dollaria maksaavan 3D-tulostimen Mink, joka yhdistää FDA: n hyväksymän musteen ja erilaisia ​​substraatteja minkä tahansa meikin luomiseen jauheista, kermaksi, huulipunaksi. Choin mukaan ”Suuret meikkifirmat ottavat pigmentin ja substraatit ja sekoittavat ne yhteen ja nostavat sitten hinnan. Teemme saman asian ja annamme sinun saada meikki oikein omassa talossa. ”
• Ruumiinosat. TIME-lehden vuoden 2013 raportin mukaan 3D-tulostimet leikkaavat jo kehon osia, kuten korvia ja nenä, kehon soluista. Varhaisessa vaiheessa tekniikka on lupaava kosmeettiseen ja plastiikkakirurgiaan.
• ruoka. Massachusetts Institute of Technology on kehittänyt 3D-tulostimen ruokia varten nimeltään “Cornucopia”, ja Ranskan kulinaarinen instituutti on käyttänyt Cornellin kehittämää FabatHomea ruoanvalmistukseen. Ehkä ”Star Trekissä” kuvatut avaruuskauden ruokareplikaattorit eivät ole niin kaukana tulevaisuudessa kuin voimme ajatella.
• Oikeuslääketiede ja arkeologia. Televisio-ohjelmassa “CSI: New York” 3D-tulostusta käytetään replikoimaan luoti kehon sisällä leikkauksen välttämiseksi. Arkeologit voivat toistaa hauraita esineitä tutkimusta varten vahingoittamatta alkuperäisiä korvaamattomia esineitä. Esimerkiksi Discovery Time Square King Tut -näyttelyn vierailijat näkivät lähes samanlaisen 3D-painetun muumion jäljennöksen, jonka yritys toteuttaa..

Michelangelo selitti kerran, että jokaisessa kivessä on patsas, ja veistoksen tehtävänä on löytää se. Kun taiteilija ymmärtää etsimänsä kolmiulotteisen kuvan, hänen tehtävänsä on sirotella ylimääräinen materiaali huolellisesti paljastamaan piilotettu rakenne. Jos Michelangelo olisi voinut käyttää 3D-tulostinta, hänen luovansa prosessi olisi ollut täysin päinvastainen: aloittamalla tyhjästä ja luomalla mielenkuvansa vähitellen lisäämällä ainetta, kunnes etsimänsä muoto oli täydellinen.

Kuinka 3D-tulostus toimii

Termi ”3D-tulostus” on väärin tuotettu, koska siellä on vähän samankaltaisuutta kuin kaksiulotteisessa tulostuksessa, jolla mustetta levitetään paperille. Prosessi on kuitenkin samanlainen kuin painatus, koska tuloksena on erilaisten materiaalikerrosten kerääntyminen peräkkäin eri muodoiksi kiinteän kolmiulotteisen esineen luomiseksi. Tarkempi kuvaus olisi ”lisäaineiden valmistus”, erilainen luomismenetelmä kuin perinteinen valmistus, joka perustuu kiinteän aineen poistamiseen suuremmasta muotoilemattomasta massasta.

Prosessi alkaa tietokoneavusteisella suunnittelulla (CAD) tai 3D-skannerilla mallin muuttamiseksi digitaaliseksi, kolmiulotteiseksi mittaukseksi. Valittua materiaalia (nestemäinen, jauhe, paperi tai arkkimateriaali) avulla useita ohuita kerroksia asetetaan paikoilleen ja sulatetaan lämmittämällä, kovettamalla, keskittämällä, laminoimalla tai valokuvapolymeroimalla yhdeksi yhtenäiseksi esineeksi.

3D-tulostustekniikka on kehittynyt viimeisen kolmannen vuosisadan aikana; vuoden 2014 Patent Insight Pro -raportissa lueteltiin noin 2 635 3D-tulostustekniikkaan liittyvää patenttia, jotka on myönnetty 1970-luvun alusta. Vaikka jokainen patentti voi olla erityinen patenttivaatimustensa ja patentin myöntämisen oikeuttamisen perusteiden suhteen, ne voidaan yleensä luokitella seuraavan perusteella:

• Teknologiaprosessi tunnistettu. 3D-tulostuksessa käytetään tällä hetkellä 33 erilaista prosessia, sulatetusta pinnoitusmallinnuksesta (FDM) - prosessista, jossa lämmitetään termoplastiset materiaalit puolinesteisiin tiloihin, sitten suulakepuristetaan se kerros kerrallaan tietokoneohjatulla reitillä - stereolitografiaan, prosessi, jossa ultraviolettilaseri kovettaa nestemäisen fotopolymeerikerroksen, kun se nostetaan tai lasketaan nestemäisen polymeerin säiliöön upotetun tason avulla samalla tavalla kuin levitetään kerros maalikerroksen jälkeen, kunnes useat kerrokset johtavat lopulliseen osaan.
• Materiaalit, jotka on määritelty patentissa. Tähän mennessä annetut patentit kattavat 45 erilaista materiaalia, mukaan lukien keramiikka, savi, palladium, paperi, kumi, hopea, titaani ja vaha.
• Käyttö tai Sovellus. Viimeinkin 3D-tulostusta oli ainakin 22 kaupallista sovellusta, mukaan lukien rakennus-, puolustus- ja elintarviketeollisuus.

3D-tulostusteollisuuden tila

Monet teollisuuden tarkkailijat väittävät, että massamarkkinoiden puuttuminen tähän mennessä on johtunut eri yritysten laajoista patenteista ja immateriaalioikeudellisten oikeusjuttujen todennäköisyydestä. Yksinkertaisesti sanottuna, yritykset eivät ole käyttäneet resursseja tekniikan hyödyntämiseen, koska he pelkäävät oikeudensaamista.

Tämä kilpailun este on pitänyt uudet tulokkaat poissa markkinoilta ja hinnat korkeat; itse asiassa liian korkea tukemaan joukkomarkkinoiden kuluttajasovelluksia. Koska monet perustekniikkaa kattavista patenteista ovat päättyneet vuonna 2013 ja sitä vanhemmina vuosina 2014 ja 2015, tapahtuu todennäköisesti uusien tuotteiden räjähdys ja laitteiden hinnoittelun aleneminen samalla tavalla kuin muiden elektronisten laitteiden, kuten televisioiden, tietokoneiden, lasku. , ja matkapuhelimet. Alemmat hinnat tarjoavat kuluttajille pääsyn ensimmäistä kertaa laajalle pohjalle.

3D-tulostamisen johtavan Gartner-analyytikon Pete Basilieren mukaan pakottava kuluttajasovellus - jotain, joka voidaan luoda vain 3D-tulostimella kotona - ilmestyy vuoteen 2016 mennessä, ja sillä on samanlainen vaikutus 3D-tulostimiin kuin PC: n tai kameran lisääminen matkapuhelimeen. Gridlogics Technologiesin raportissa ennustetaan, että tekniikasta tulee massamarkkinatavaroita, koska se antaa kuluttajille mahdollisuuden korvata tai luoda nykyisillä perinteisillä valmistusmenetelmillä tuotettuja yhteisiä kotitalouskohteita ja sisältää niihin liittyvät markkinoinnin, logistiikan ja varaston ylläpidon kustannukset. Charles W. Hull, ensimmäisen 3D-tulostimen luoja 1980-luvun puolivälissä, 3D Systems -säätiön perustaja ja teknologiajohtaja, ennustaa, että teollisuudesta tulee tämän vuosikymmenen loppuun mennessä 4,5 miljardin dollarin yritys..

3D-tulostuksen sovellukset

3D-tulostamisen tulevia käyttötarkoituksia selvitetään edelleen. Seuraavat ovat vain joitain parhaillaan käynnissä olevista sovelluksista, jotka todennäköisesti ovat yleisesti käytössä ensin.

1. Lääketieteellinen
CNN: n mukaan tutkijat käyttävät jo 3D-tulostimia pienten elinkudosliuskojen (biojäljennös) sekä kasvojen lisäysten (korvat ja nenä) tulostamiseen. Painettuja elimiä, kuten munuaista tai maksaa - tekniikan kehityksen seuraavaa vaihetta - voitaisiin käyttää alun perin lääkkeiden ja rokotteiden testaamiseen ja lopulta tuottaa elinsiirtoihin kaivattuja elimiä.

Basiliere toteaa, että "3D-biopainatuslaitteet, joilla voidaan tulostaa ihmisen elimiä ja kudoksia, etenevät paljon nopeammin kuin tämän tekniikan seurausten yleinen ymmärtäminen ja hyväksyminen." 3D Printer Worldin päätoimittaja Mike Titsch väittää vastauksena: ”Monet suuret lääketieteelliset läpimurtot ovat kärsineet moraalista vastarintaa elinsiirroista kantasoluihin. Voiko vain rikkaat varaa siihen? Soitammeko jumalaa? Loppujen lopuksi ihmishenkien pelastamisella on taipumus lyödä kaikki väitteet. ”

2. Keinotekoiset raajat
Washingtonin yliopiston opiskelijat kehittivät proteesivarren 13-vuotiaalle tytölle, joka oli menettänyt raajansa veneilyonnettomuudessa. Vaikka materiaalien 200 dollarin kustannukset eivät olleet niin edistyneitä kuin muiden proteesien, niiden hinta oli huomattavasti alle 6000 dollarin kaltaisten laitteiden kustannusten, tekijä, joka estää laajan soveltamisen monissa yrityksissä.

Kylie Wicker, Rocklandista, Illinois, syntynyt ilman sormea ​​vasemmalla kädellä, sai operatiivisen muoviset 3D-painetut sormet hintaan 5 dollaria ja suunnitteli lukion insinööriluokka. Kanadalainen professori työskentelee 3D-tulostusprosessin valmistamiseksi proteesien raajojen lähettämiseksi Ugantaan jatkuvan sisällissodan uhreille.

3. Muoti
Muoti on hyödyntänyt 3D-tulostusta visuaalisesti upeiden mekkojen ja asusteiden luomiseen New Yorkin muotiviikon 2013 kiitoradoille sekä ainutlaatuiseen ”savuun” mekkoon, joka paljastettiin vuoden 2013 Frankfurtin kansainvälisessä moottorinäyttelyssä. Savu mekko luo automaattisesti savun verhon aina, kun joku astuu käyttäjän henkilökohtaiseen tilaan.

Lady Gaga käytti vuoden 2013 ArtRavessa maailman ensimmäistä lentävää mekkoa, toista 3D-painettua mekko Volantis-mekkoa. Continuum tarjoaa maailman ensimmäisen käyttövalmiiksi täysin 3D-tulostetun bikinit, N12, nimeltään materiaalille, josta se on valmistettu: Nylon 12.

4. Prototyypit ja testimallit
Oxfam International, 17 organisaation kansainvälinen keskusliitto, joka työskentelee löytääkseen käytännöllisiä, innovatiivisia tapoja ihmisille syrjäytyä köyhyydestä. Yhteistyössä MyMiniFactory.com -yrityksen kanssa kehitettiin innovatiivisia malleja vesiohjauksen ongelmien ratkaisemiseksi kolmannen maailman maissa. Mallit voidaan nopeasti tulostaa, testata ja muokata ennen niiden siirtämistä massatuotantoon. Vaikka se on vielä prosessin alkuvaiheessa, sponsorit uskovat, että uusien laitteiden nopea testaus ja mahdolliset muutokset 3D-tulostuksella ovat menestyviä sellaisissa humanitaarisissa hankkeissa kuin käsien puhdistuslaitteet nykyiselle 2,4 miljoonalle Syyrian pakolaiselle, jotka asuvat tungosta, epäsanitaarisissa olosuhteissa..

Italialainen keksijä Enrico Dini on kehittänyt 3D-tulostimen, joka tunnetaan nimellä D-Shape, joka sitoo hiekkapartikkelit muodostaen sedimenttikiveä. Tulostimen sanotaan sallivan rakennuksen rakentamisen neljä kertaa nopeammin kuin perinteiset välineet puolet kustannuksista. Kor Ecologicin suunnittelema hybridi-auto Urbee on kaksipaikkainen, joka saavuttaa jopa 200 mailia / gallona ja jonka arvioidut kustannukset ovat noin 20 000 dollaria, ja se on kokonaan valmistettu 3D-tulostuksella.

5. Henkilökohtainen käyttö
Ihmiset voivat tulostaa räätälöityjä koruja, taloustavaroita, leluja ja työkaluja haluamaansa kokoa, muotoa tai väriä varten, ja voivat myös tulostaa varaosat kotona tilauksen sijaan ja odottaa niiden saapumista. . Tutkimusyrityksen Strategy Analyticsin mukaan kodin 3D-tulostamisesta voisi kehittyä 70 miljardin dollarin teollisuus vuodessa vuoteen 2030 mennessä.

Ruoka-3D-tulostimet saattavat jopa lopulta ratkaista ongelman saada lapset syömään vihanneksia, koska vanhemmilla on mahdollisuus muokata niitä kaikenlaisiin muotoihin. Ehkä hieno lapsi voi vakuuttaa syövän ruusukaalia, jos ne olisi valmistettu dinosauruksen muodossa.

Esteitä 3D-tulostukseen

Vaikka 3D-tulostimien lupaus on huomattava, on yhtä merkittäviä esteitä ylitettävä, ennen kuin se saavuttaa teollisuuden kannattajien odotukset.

1. Yksinkertaisten, halpojen kuluttajatulostimien puute
3D-tulostimilla, jotka myyvät alle 1 000 dollaria, on rajoitettu kapasiteetti, niiden käyttö voi olla vaikeaa, niiden toiminta voi olla epäluotettava ja niiden käyttö voi vaatia käsikokoonpanon. Vaikka nämä viat lopulta korjataan, voi kulua huomattavia kokeilu- ja virhevirheitä ja aikaa, ennen kuin edullinen kuluttajamalli on saatavana.

Vuoden 2013 strategia + -yrityksen artikkelissa todetaan, että "riippumatta siitä, kuinka halpaksi 3D-tulostin tulee, tuotantolaitos tarjoaa jatkossakin mittakaavaetuja esineiden tulostamisen raaka-aineista". Artikkelissa kysytään myös, käyttääkö kuluttaja 3D-tulostinta kotona muovihaarukan tai shakkipalan valmistamiseen, jos hän ostaa sen paikalliselta Walmart-laitteelta.

2. Tulostamiseen sopivien materiaalien puute
Tulostimet, joita on tällä hetkellä saatavana kuluttajahinnoilla (2 500 dollaria ja vähemmän), tukeutuvat sulatettujen saostumien mallinnustekniikkaan sekä PLA- ja ABS-muoveihin. Tämä materiaali ei ole tukevaa ja sen käyttö on rajoitettua. Asiantuntijoiden mielestä seuraavan sukupolven on käytettävä hiilikomposiitteja ja metalleja, jos se on hyödyllinen keskivertokuluttajalle.

Ison-Britannian The Telegraphin vuonna 2014 julkaisema artikkeli huomaa uuden tekniikan puolustajia, jotka julistavat niin kirkkaita tulevaisuuksia, huomauttaen, että jopa menestyvät kodin 3D-tulostimet "luovat malleja, jotka näyttävät siltä, ​​että ne olisi jätetty jäähdyttimeen muutama tunti." Kirjoittaja toteaa edelleen, että vaikka aseiden osien lähettäminen Internetiin on erittäin hyvää asiaa, mutta ilman keinoja metallin valmistukseen (3D-tulostimilla, joilla ei ole kapasiteettia), on todennäköisempää, että otat käsivarsi pois kuin ampua luoti. ”

3. CAD-suunnittelun tuntemustarve
Vaikka eri kohteiden ladattavia tiedostoja on saatavana sivustoilta, kuten Thingiverse ja Shapeways, ne ovat yleensä teknisiä eikä välttämättä ole yhteensopivia kaikkien 3D-tulostimien kanssa. Tulostimia ympäröivän markkinointitekijän vuoksi niitä voidaan kuvata helpommin käytettäviksi kuin todellisten käyttäjien kokemuksia.

Tom Meeks, 3D-tulostimen käyttäjien blogin kirjoittaja, huomauttaa 3D-tulostimien ja Keurig-kahvinkeitinjärjestelmän välisestä rinnakkaisuudesta sekä kuluttajasuunnittelun ja helppokäyttöisyyden merkityksestä. Huomautti, että Keurigilla kului 16 vuotta saadakseen nykyinen hyväksyntä markkinoille. Ja on huomattava, että kahvinjuomia on paljon enemmän kuin potentiaalisia 3D-tulostimen käyttäjiä. Markkinointiasiantuntijat uskovat, että tulostimien on oltava yhtä helppokäyttöisiä kuin tavanomaisten laser- tai pistematriisitulostimien, jos halutaan löytää laaja hyväksyntä.

4. Hidas, sotkuinen ja mahdollisesti vaarallinen
Tulostimet ovat täydellisiä yhden tyyppisille tai monimutkaisille ja kalliille kohteille, mutta ne ovat liian hitaita massavalmistukseen. Käytetyt materiaalit ja niiden päästöt käytön aikana, erityisesti jauheet, voivat olla sotkuisia ja mahdollisesti myrkyllisiä. Viimeiseksi, nykyiset PLA-muovia käyttävät 3D-tulostimet toimivat erittäin korkeissa lämpötiloissa (220 - 230 astetta). Vaikka nämä ongelmat eivät ole ylitsepääsemättömiä, niiden ratkaiseminen vie aikaa ja investointeja.

Lopullinen sana

Ei tiedetä, onko 3D-tulostimilla television, tietokoneen tai matkapuhelimen vaikutuksia sen puolustajien odottamalla tavalla. Teknologian kehittyessä mahdollisuudet ja edut ovat rajattomat. Se on varmasti tekniikka, jonka kohtelias kuluttaja olisi tietoinen ja valmis käytettäväksi kypsyessään ja tultuaan kuluttajatuotteeksi.

Mitä mieltä sinä olet? Oletko kiinnostunut 3D-tulostimen omistamisesta?