Мир глазами инженера Блог о технике и науке

21Фев/155

Трехмерная печать

Технология трехмерной печати достаточно молода, но успела наделать много шума. Попробуем разобраться что такое трехмерная печать, зачем она нужна, как она делается и чем нам это все грозит. Материал представляет собой текстовое содержание публичной лекции которую я читал в УГЛТУ.

IMG_7092

История.

История развития техники - от части это история развития методов изготовления деталей. Как изготовить вещь, с заданной точностью и ценой. До изобретения станков преобладал полностью ручной труд. Берем заготовку и вручную вырезаем пазы, сверлим отверстия и так далее. Конечно это тяжелый физический труд, требующий навыков и твердости рук. Само собой это негативно сказывается на стоимости изделия. Если мастер работал над созданием вешалки два дня,  то и стоимость изделия будет не менее стоимости 2х человеко-смен. Это никак не могло способствовать доступности даже простых изделий, мало какая семья располагала даже элементарным сервизом с набором столовых приборов в 17 веке.

лекция по 3Д печати1

Но прогресс не стоял на месте, люди изобрели паровые машины, электродвигатели, станки. Трудозатраты на изготовление единицы продукции снизились, а значит уменьшилась цена. Если бревно распускает на доски станок, а не бригада людей с пилой, то стоимость доски снижается, а значит все больше людей могут себе позволить купить изделия из досок. Но руководить процессом по прежнему должен человек. При вытачивании цилиндра вращает заготовку электромотор, а стружку снимает резец в суппорте, но человек по прежнему должен стоять у станка и крутить ручки подачи, перемещая резец по заданной траектории. Выходит что количество занятых в изготовлении детали людей снизилось, но не сократилось до нуля. Станок взял на себя всю тяжелую работу, но не освободил человека окончательно. Тоесть прошел процесс механизации производства, когда машины облегчили труд но не исключили его полностью.

Прогресс не стоит на месте, и люди стали работать над тем как исключить человека из процесса производства деталей. Появились станки, не требующие участия человека - обрабатывающий инструмент (резец, фреза) перемещался по нужной траектории сам. Так появились простые копирующие станки, чуть позднее появились станки с числовым программным управлением (ЧПУ). В станках с ЧПУ необходимые команды на перемещение рабочего органа, включение подач, вращения заранее записаны в программу (на перфоленте, на магнитной ленте или вообще в памяти ЭВМ), выполняя которую станок изготовит деталь. Это автоматизация процесса - исключение человека из производственного цикла полностью. В результате человек нужен только приглядывать за станками которые работают сами. Получается что себестоимость изготовления детали снижается еще сильнее.

Что же мы имеем на сегодняшний день? У нас есть станки которые могут обрабатывать детали самостоятельно, управляемые компьютером. Это позволяет полностью автоматизировать процесс и полностью исключить человека, тем самым сделав изготовляемый продукт дешевым и доступным. Пройдя весь путь от ручного кустарного производства до современного высокоавтоматизированного производства мы улучшил экономические показатели, но не совершили качественного рывка в самой технологии изготовления деталей. Необходимо сделать ремарку о том какие технологии обработки материалов существуют.

Все технологии изготовления можно разделить на три группы:

1) Отсекая все лишнее. Мы просто берем заготовку материала подходящего размера и начинаем удалять материал там, где он не нужен. Сверлим, фрезеруем, отрезаем, отпиливаем, отковыриваем, сошлифовываем, растворяем, стравливаем, испаряем лазером... Конечно есть тонкости, но проблема в том что в зависимости от формы детали количество отходов может быть велико. Если нам нужен тонкостенный стакан из стали, то мы должны взять большую болванку и удалить 99% от нее в виде стружки. Конечно, чаще всего стружку можно переработать, но иногда стружка отправляется в отходы безвозвратно.

2) Меняя форму у того что есть. У этого способа материал просто меняет форму - при помощи ковки, штамповки, литья. Количество отходов минимально. если нам нужен стакан как в предыдущем способе, то берется диск и стакан из него вытягивается, материал перераспределяется принимая нужную форму. Близкий пример - лепка из пластилина.

3) Добавляя материал там, где нужно. Исходный материал добавляется, слой за слоем, образуя в итоге нужное изделие. Пример - здание из кирпича. Вы не берем кирпич размером со здание и не выдалбливаем все лишнее. Мы не берем кусок глины и не лепим здание с последующим обжигом. Мы его формируем из кирпичей, укладывая их слой за слоем в нужном порядке.

лекция по 3Д печати2

Все три технологии известны человечеству давно. Широкое применение в промышленности получили первые две, причем наиболее автоматизированна именно субтрактивная технология - отсечение всего лишнего.

Так что же такое трехмерная печать ? Это аддитивная технология, когда изделие получается путем добавления материала там где нужно. Причем под трехмерной печатью подразумевается автоматизированный процесс выполняемый компьютером при помощи устройства под названием 3D принтер.

Технология трехмерной печати начала активно развиваться в 80х годах 20 века. Предпосылками к этому послужили развитие лазерных технологий и распространение и удешевление компьютеров, как основного узла управления. За недолгий срок стараниями инженеров, любителей были созданы и развиты технологии трехмерной печати.

Самое, на мой взгляд важное изменение, своеобразная революция заключается в том, что стоимость и время изготовления детали посредством трехмерной печати не зависит от ее сложности, а только от ее объема. Стоимость изготовления детали по субтрактивной технологии напрямую зависит от сложности. Просверлить круглое отверстие очень просто. Сделать квадратное отверстие сложнее. Отверстие в форме листа клевера очень сложно. Очень часто деталь приходится менять, что бы обеспечить ее технологичность. Я писал про штангенциркули, на их примере goodic верно подметил, что отфрезеровать  три детальки и скрутить их на винты гораздо проще, чем на станке специально сделанной под данную задачу фрезой делать паз. При изготовлении деталей методом литья стоимость детали также зависит от ее сложности. Любые поднутрения, полости усложняют литейную форму, а значит и цену изделия. И только при трехмерной печати деталь формируется послойно, и время работы принтера (а значит и цена) зависит только от количества отверждаемого (спекаемого, наплавляемого) материала. Можно получать красивые, изящные вещи по цене обычных технологичных в производстве топорных изделий.

лекция по 3Д печати3

Основные технологии трехмерной печати на сегодня:

1.Фотополимерная технология: Стереолитография (SLA, SL), Масочная стереолитография (SGC), цифровая световая проекция (DLP) .

Основаны на использовании полимеров, отверждаемых светом (чаще всего ультрафиолетом). Обладают очень высокой разрешающей способностью, но высокая цена материала ограничивает распространение метода. Принцип следующий - платформа находится в жидком фотополимере. Лазер/проектор при помощи света отверждает полимер там, где нужно, формируя слой. Затем платформа опускается, жидкий полимер покрывает отвержденный слой и все повторяется снова. Иллюстрация из википедии (Все картинки кликабельны и ведут на источник.):

 

2. Спекание порошков: Выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), выборочное тепловое спекание (SHS), электронно-лучевая плавка (EMB, EBF3), прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Принцип состоит в том что при помощи лазера или другого источника тепла материал, в виде порошка спекается. При этом неспеченный порошок служит опорой для спеченого, тем самым возможна печать объектов без формирования поддерживающих структур.. Технология в принципе похожа на фотополимерную, с теми же преимуществами (повторное использование неизрасходованного материала), только заполнение порошком нового слоя при опускании платформы происходит не самотеком, а при помощи специального ролика, разравнивающего порошок. Выбор материала для печати довольно широк - порошки металлов (сталь, нержавеющая сталь, титан, золото и т.д.), порошки пластиков.

Selective_laser_melting_system_schematic

3. Добавление связующего в порошок: струйная трехмерная печать (3DP), цветная струйная печать (CJP)

Принцип аналогичен предыдущему, только для скрепления порошка используется не излучение лазера, а точно дозированный клей из головки, похожей на печатающую головку от струйного принтера. Преимуществом технологии является возможность параллельно добавлять краситель, тем самым получая фигурки с раскрашенной поверхностью. Это может быть полезно как при получении моделей для архитектурных макетов, так и для получения объемной фотографии

4. Послойное добавление материала: многоструйное моделирование (MJM), моделирование послойным наплавлением (FDM), изготовление методом ламинирования (LOM)

При данной технологии материал добавляется там, где нужен. Это может быть бумага (LOM) - она кладется лист за листом и нож прорезает контур детали. Расплавленный пластик (FDM), жидкий полимер и даже бетон! Недостатком является необходимость создания поддерживающих структур (FDM) что накладывает ограничения на некоторые формы - например формирование закрытых полостей.

Картинка из википедии:

FDM_by_Zureks

Самой доступной на сегодняшний день технологией является FDM. При всей своей массе недостатков она самая дешевая (бытовой 3Д принтер можно купить менее чем за 1000$), и усилиями любителей она была доведена до технологии, которой можно пользоваться без специальных знаний и навыков. Материал к FDM принтерам можно купить в розницу в магазинах, стоимость пластика порядка 1100 р/кг и есть перспективы к снижению цены при увеличении спроса.

 

Применения трехмерной печати

Биомедицина

Проводятся эксперименты по печати органов из биоматериала. Таким образом можно печатать целые органы для трансплантации, тем самым полностью решив проблем поиска донорских органов.

rapid_prototyping_biology

Но если печать органов полностью еще дело будущего то печать протезов - дело настоящего. На трехмерном принтере печатают протезы для костей:

Medical Modeling

Печатают даже целиком кости черепа для замены (у девушки редкое заболевание когда кости растут все время, тем самым сдавливая мозг)

3d-printed-skull

Печатают модели органов (полученные при компьютерной томографии) которые помогают хирургам спланировать операцию заранее:

3d_printed_heart

Косметические протезы, протезы пальцев рук, причем протез пальцев рук при помощи 3Д принтера сделал отец для сына.

Или к примеру вот такие идеально подогнанные круто выглядящие лангетки:

dezeen_Cortex-3D-printed-cast-for-broken-bones-by-Jake-Evill-2

Именно технология трехмерной печати позволяет удешевить изготовление индивидуального протеза, так как подгонка под индивидуальные параметры по классической технологии занимает очень много времени и требует дорогого ручного труда. В данном случае возможно прямое использование данных компьютерной томографии, полностью исключая процесс подгонки.

Техника

Трехмерная печать радикально удешевляет стоимость производства прототипа. К примеру вам нужен пластиковый корпус для устройства. Заказ литейных форм для пластика обойдется в круглую сумму. В то же время можно напрямую из САПР которую вы используете напечатать объект:

Photos by Mike Dean www.mikedeanphotos.com

Напечатанный объект можно пощупать на предмет эргономичности, что невозможно в случае виртуального объекта. Сложно в САПР оценить насколько удобно будет сидеть в руке например рукоятка заправочного пистолета.

Можно напечатать наглядное пособие:

zcorp-650-print02

Если в процессе использования студенты отломают кусок, то всегда можно распечатать замену сломанной части для ремонта. Можно даже напечатать модель белка:

0207080a420b4f6fb31e45d9858f727d

Даже целиком рибосому:

9e421bd531e347f685c13e23d1768cd5

Можно печатать замену узлам, например напечатать замену ключа, его копию:

3d-printed-mini-cooper-key

Можно печатать оружие, чем занимается одна американская компания. Конечно ствол пока еще уступает аналогичным, изготовленным по традиционной технологии, но при печати из металлического порошка он выдерживает десятки выстрелов. Сложность объекта может быть любой, а не только той, которую одобрит технолог.

Worlds-2nd-3D-Printed-Metal-Gun1-1024x768

Видео испытаний.

А вот скандально известный пистолет liberator, практически полностью печатаемый на бытовом FDM принтере. Особенно много опасений вызывает то, что в нем практически нет металла, и металлоискателями он не обнаруживается.

140adfe299fe23a29b3cd96aa1946a44

При изготовлении ракетного двигателя особенную трудность представляет создание каналов для топлива в "юбке" двигателя, что бы топливо протекая по ней охлаждало ее и не позволяло расплавиться. При трехмерной печати таких проблем нет, можно создавать внутреннюю структуру любой сложности. Вот пример ракетного двигателя напечатанного на 3D принтере. Модель в САПР:

Picture1

Распечатана:

IMG_0620

Огневые испытания:

360133965

Видео. Весьма многообещающе, даже NASA увлеклась тематикой.

Трехмерная печать, за счет того, что объект сразу формируется таким, какой нужен, свободна от ограничений классических технологий. Не нужно подчиняться правилу теней из-за которого усложняется литейная форма, не нужно думать о том как деталь зажать в станок, как подлезть фрезой. Вот пример двух одинаковых кронштейнов, классический литой и отпечатанный из титана на 3Д принтере:

_70478313_nacelle

1343580

Еще один вариант формы кронштейна:

eos-eads-test-material-consumption-3d-printing-2

Airbus делает ставку на 3Д печать, так как детали получаются легче, что очень важно для самолетов, при их производстве меньше отходов и выбросов углекислого газа.

Стоит ли говорить что шевронная шестерня, обладающая рядом достоинств но из-за сложности изготовления редко применяемая, для трехмерного принтера - не проблема?

674x501_915262_834006_1361686939

Или вот пример - химический реактор. Он сразу печатается со всей сложной внутренней структурой:

296c1d751fc8221e96ab60a79c8796bf

70871eda86d0c42c49bce9a81bbfa911

 

 

 

Трехмерная печать не только упрощает многие стадии производства, но и позволяет создавать радикально новые узлы, лишенные ограничений традиционных технологий. Кроме того универсальность принтера позволяет решить проблему с ремонтом и снабжением. Американские военные развивают трехмерную печать для покрытия потребностей в ремонте и доработках. Например в ходе военных действий выяснилось что нужно доработать крепление фонаря к оружию. Можно конечно заказать новые крепления и ждать поставки, но это не всегда возможно при интенсивных боях. Можно изготовить по месту - но для этого нужно иметь материал, станки. А можно просто напечатать на трехмерном принтере. Снабжение удаленных поселков и станций упрощается - не нужно создавать локальный склад с большим ассортиментом, достаточно просто установить 3Д принтер с запасом материалов, и вещи будут печататься по мере необходимости.

 Архитектура

Трехмерная печать поистине многообещающа в деле строительства. Если использовать огромный 3D принтер для печати бетоном, то можно быстро и дешево печатать жилье любой формы. Китайцы уже работают над этой технологией и добились успехов.

44493a50b2c0783c78408a473cc07c14

6d6d0926c4ebc7a5a2456049fc74b18b

Стройка будет выглядеть привычной только до момента подготовки фундамента. Далее монтируются рельсы и огромный 3D принтер начинает печать:

contour-crafting.png

Огромный простор для творчества дизайнеров, можно отойти от чуждой природе прямоугольной формы. Остается не решенными две проблемы - армирование и укладка коммуникаций, но эти проблемы будут решены.

Появляется возможность заложить при изготовлении любой декор как экстерьера, так и интерьера.

digitalgrotesque-9

digitalgrotesque

 

Искусство

При помощи трехмерной печати можно изготавливать не только обыденные вещи, например саксофон:

glzw9c7uk1o0bc81eftm

Но и переосмысливать форму существующих. Электрогитара:

atomblackgoldfrontsmall2

Создавать обувь:

3d_printed_shoes_11

shoe_black_main

Одежду:

A DESIGN DEBUT by MICHAEL SCHMIDT in collaboration with FRANCIS BITONTI on model and muse DITA VON TEESE

A DESIGN DEBUT by MICHAEL SCHMIDT in collaboration with FRANCIS BITONTI on model and muse DITA VON TEESE

3D-printed-dress-Iris-van-Herpen

Мебель:

Обратите внимание на изящное крепление деталей меж собой

Studio-Minale-Maeda-3D-Printed-Furniture-Connector-Keystones-1-537x358

BigRep-One-Printer-Chari-537x351

Скульптура

skull-5220968

Украшения

nervous-system-3d-printed-jewelry-1

Не только из пластика но возможно получение привычных украшений из золота:

Golden_Cage_Heart_Pendant

 

Автодизайн

1113-metal-3d-printer-630x420

Трехмерная печать для дома.

Выше - это все довольно интересные, но далекие от обычного быта вещи. Как же может пригодиться 3Д печать обычному человеку дома?

Ремонт сломавшейся защелки от посудомойки:

17gtzaww38zz6jpg

Ремонт сломавшегося крепления у душевой кабинки:

Ремонт детской коляски:

FIE8G1AGQTM7F3P.LARGE

FJHNW97GQTN8NIJ.MEDIUM

Еще пример ремонта при помощи трехмерной печати. Лейка душа:

phpqabbxb

Чеснокодавка

need-some-kitchen-tools-heres-a-garlic-press

Выдавливалка для тюбика

another-classic-problem--this-keeps-all-your-toothpaste-packed-near-the-top-of-the-tube

Переноска для пакетов:

if-you-need-a-hand-with-the-groceries-you-can-print-a-bag-holder-to-make-it-a-little-easier-2

Фиксатор-отбойник для двери:

door_open_holder_preview_featured-1

Органайзер для проводов:

674x501_843532_723808_1356402160

Держатель для телефона для велосипеда:

IMG_9702_preview_featured

Крепление ручки к щетке:

IMG_0425_display_large_preview_featured

Горшки под растения:

4784100983_60e70b3602_o_display_large_preview_featured

Дополнительная ручка на черенок лопаты:

shovel-handle_preview_featured

Крючок для штор:

DSCF1652_display_large_preview_featured

Форма для печенья:

Hungry-for-Cookies_display_large_preview_featured

They-are-soo-Hungry_display_large_preview_featured

Держатель под пузырьки

IMG_20130225_093736_975_preview_featured

и еще  множество множество применений. Вы можете придумать не меньше.

 

Новые технологии всегда вызывают изменения в жизни людей, причем изменения эти как хорошие, так и спорные. Так внедрение централизованного водоснабжения уничтожило профессию водоноса, тем самым повлияв на рынок труда. Вхождение трехмерной печати в нашу жизнь решит кучу трудностей но и создаст новые проблемы.

1) Создание контента. Появление в каждом доме компьютера и принтера не увеличило значительно уровень литературы и количество качественных литературных произведений. Не достаточно иметь средство производства, нужен талант и навык для создания качественного продукта. Об этой проблеме писали фантасты, нестандартность мышления, новизна идей, творческий подход, навыки по доведению идеи до чертежа - это все будет цениться всегда, и трехмерная печать только снижает порог вхождения.

2) Авторское право. Есть такие люди как копирасты которыми движет лишь жажда денег. К сожалению возможна ситуация, что они вместе с продажными чиновниками пролоббируют введение DRM в трехмерные принтеры, что бы можно было печатать только сертифицированный™ лицензионный™ одобренный государством контент. И можно было использовать только официальный™ лицензионный™ материал для печати который стоит 100500 долларов. А то ведь будут печатать пистолеты себе. В новейшей истории России мы уже видели как реестр роскомнадзора, изначально создававшийся для ограничения распространения детской порнографии и экстремизма теперь используется и для ограничения пиратского контента. Скоро и до цензуры недалеко. Это очень грустная и обширная тема для другой статьи, поэтому углубляться не будем.

3) Высокая стоимость как принтеров так и расходных материалов. Из-за довольно малой популярности невозможно реализовывать массовое дешевое производство, трехмерные принтеры являются мелкосерийным продуктом с высокой ценой. Увеличение популярности и рыночной ниши вызовет уменьшение цен.

4) Изменение рынка. Если в каждом доме будет стоять трехмерный принтер и на нем можно будет печатать, к примеру, бытовую домашнюю утварь, то это сделает нецелесообразным рынок торговли промышленно изготовленными хозтоварами. Так появление компьютеров убило профессию машинистки. Понимая это предприятиям нужно готовиться и осмысливать, как изменится их бизнес с годами и в какие направления стоит вкладывать деньги. Если бедлам нельзя прекратить то его нужно возглавить. Если вы производите автомобилей, то стоит подумать и первыми предложить на рынке опцию индивидуально напечтананых накладок на кузов для декора (как чехлы для телефона), не дожидаясь пока за вас это сделают конкуренты.

5) Доступность изготовления оружия. Тоже проблема весьма дискуссионная, особенно если вспомнить что самым распространенным орудием убийства является кухонный нож, который запрещать в голову никому не приходит. Чиновники вместе с силовиками вполне могут продавливать запрет всего, что может быть оружием. Ведутся разговоры о запрете квадрокоптеров, из-за их потенциальной возможности использования для террористических атак. Насколько это эффективно и оправдано - вопрос, много примеров когда под благими намерениями начинались пакостные явления.

Какие же преимущества нам даст использование трехмерной печати?

1) Изменение конструкции множества узлов техники, так как сложность изготовления не удорожает узел. Создание деталей с любой внутренней структурой. Можно напечатать свисток с шариком внутри, при этом сам свисток будет единой деталью.

2) Изменение логистики и снабжения. Так как деталь любой формы изготавливается на одном принтере - то вместо отправки детали со склада становится возможным изготовить ее на месте. Теоретически и ранее такое могло практиковаться, но с увеличением сложности деталей склад инструмента  должен быть огромным, кроме того, станок должен быть очень универсальным (на токарном станке прямоугольное отверстие не сделать).

3) Снижение количества отходов. Не будет большого количества потерянного материала в виде стружки.

4) Удешевление создания прототипов и возможности мелкосерийного выпуска изделий по приемлемой цене.

 

Хорошая штука эта трехмерная печать, как мне приложить к этому руку?

Для того, что бы создавать вещи нужно создать их трехмерную модель, из которой затем вещь будет напечатана. Набросок на бумаге помогает продумать детали но машина может изготовить предмет только когда располагает точными сведениями о том какой формы объект. Поэтому для того, что бы создать что-либо нужно освоить любой трехмерный редактор. Для студентов - инженеров рекомендуется обратить свой взор на машиностроительные САПР (Компас 3D, solid works, autocad, autodesk inventor, creo и т.д.) Если вы умеете работать в 3d studio max, maya и других дизайнерских трехмерных редакторах - отлично. Если у вас нет навыков, то посмотрите в сторону простых редакторов вроде google sketchup. Пример того как быстро в трехмерном редакторе проектируется объект:

Базовые действия моделирования довольно просты - прибавление, вычитание объема, получение тел вращения. Для проектирования простых вещей (крючки, крышки, заглушки, коробочки, кронштейны и т.д.) достаточно потратить один вечер на освоение трехмерного редактора.

Кроме того в интернете есть сайты на которых пользователи делятся своими наработками бесплатно. Вполне возможно что нужное изделие кто-то уже делал для себя и просто выложил в открытый доступ что бы любой желающий мог тоже напечатать изделие себе.

Я нарисовал то, что хочу получить, но у меня нет трехмерного принтера. как быть?

Не каждый может позволить себе купить бытовой FDM принтер для распечатки пары изделий. Тем более не каждый может себе позволить покупку принтера печатающего по технологии SLS. К счастью есть компании готовые напечатать ваше изделие на своих принтерах за небольшую плату.

Например сайт shapeways предлагает такую услугу. Отправляете файл, оплачиваете и получаете посылку с результатом. При этом спектр материалов для печати довольно большой - порошки металлов, пластики, эластичные, твердые, прозрачные.

Презентация  с лекции доступна по ссылке.

 

Комментарии (5) Пинги (0)
  1. Благодарю. Очень информативная статья. Всё собрано в одном месте.

  2. Здорово, ибо кратко и достаточно информативно. От себя добавлю, что эта технология решит массу проблем при создании долговременных баз на других планетах (начиная с Луны). По слухам, НАСА уже объявляло конкурс на принтер для печати еды.

    • Ну самовоспроизводящаяся машина, которая размножалась для выполнения задачи описана еще в космической одиссее Кларка, там монолит включился, используя местные, юпитерские материалы размножился, и потом когда его стало много — провел операцию по превращению юпитера в звезду. Логичное решение для колонизации — не везти с собой все, а на месте сделать из доступного все 🙂


Leave a comment

Нет обратных ссылок на эту запись.