3 D-принтеры Авторы: Трухачев И. Беньковская А. Карасева П. Группа: 11 -С Высшая школа экономики, Москва, 2010 www. hse. ru
Что такое 3 D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3 D-модели. Что же такое 3 D-принтер? О 3 D-принтерах ранее говорили только фантасты в своих книгах. Сейчас это уже реальность, которую активно используют в разных областях. По определению 3 D-принтер это устройство, которое использует метод создания объекта на основе виртуальной 3 D-модели. В первые, о практическом применении подобных технологий заговорили в 1980 -х годах. Тогда же такие технологии получили название стереолитографии. Использовал эту идею и название инженер Чарльз Халл. Высшая школа экономики, Город, 2010
Что такое 3 D-принтер Зачем это нужно? Зачем нужно брать трехмерную модель чего-то и делать из нее реальный предмет? Оказывается, применений хватает. Первое, и самое основное, в индустрии - в основном для быстрого изготовления прототипов - чтобы посмотреть, как модель будет выглядеть в материале. По словам представителя авиакосмической компании Pratt & Whitney "стоимость разработки сложного продукта может очень сильно снизиться, если предложить инженерами вместо десятков чертежей посмотреть на реальную деталь". Высшая школа экономики, Город, 2010
Технология ❖ Лазерная: ➢ Лазерная стереолитография— ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик. ➢ Лазерное сплавление (англ. melting) — при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали. ➢ Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали. Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Технология ❖ Струйная: ➢ Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта. ➢ Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета. ➢ Биопринтеры — печать 3 D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится стволовыми клетками. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта. Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Технология ➢ Склеивание или спекание порошкообразного материала — похоже на лазерное спекание, только порошковая основа (подчас на основе измельченной бумаги или целлюлозы) склеивается жидким (иногда клеющим) веществом, поступающим из струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя вещества различных цветов. Существуют образцы 3 D-принтеров, использующих головки струйных принтеров. ➢ Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3 Dпечати крупных архитектурных моделей. Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Где и для чего их применяют? ● ● ● 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. фот Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3 D-принтерами. Это отличное решение для малосерийного о 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. Высшая школа экономики, Город, 2010
Где и для чего их применяют? ● ● ● ● Производство сложных, массивных, прочных и недорогих систем. Например беспилотный самолёт Polecat компании Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трёхмерной печати. Разработки университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био -гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии — выращивание полноценных органов. В медицине, при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по печати донорских органов. Для строительства зданий и сооружений. Для создания компонентов оружия (Defense Distributed). Существуют эксперименты по печати оружия целиком. Производства корпусов экспериментальной техники (автомобили, телефоны, радиоэлектронное оборудование) Пищевое производство P. S. Хочу заметить, что НИУ ВШЭ тоже производила закупку 3 D-принтерами, которыми сейчас активно пользуются студенты. Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Микростанки Наиболее простые, дешевые и доступные устройства, претендующие на звание 3 D-принтера, к принтерам на самом деле отношения почти никакого не имеют. Речь идет о станках с программным управлением. Речь идет об очень компактных настольных станочках, которые получили название desktop CNC machines (CNC значит computer numerically controlled, или, по- русски, станок с числовым программным управлением). Эти устройства могут управляться непосредственно из CAD программ и вырезать, выпиливать и высверливать в материале модели, которые в этих программах разрабатываются. Материалы могут быть почти любые - от пластика или алюминий). К дерева до примеру, мягких металлов приведенный на (бронза, картинке сверлильно-фрезерный станок подключается к компьютеру вместо принтера, может обрабатывать объем 23 x 14 x 15 см и способен позиционировать инструмент с точностью до сотых долей миллиметра. Обрабатывает алюминий и даже мягкие стали. Стоит эта замечательная штука чуть меньше 2000$. Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Микростанки Другой пример подобных устройств - линейка станков MDX от компании Roland. Старшие модели предназначены для полупромышленного использования и стоят, соответственно, в районе 20 K$. А вот станок MDX-15 оценивается примерно в 3000$ и его уже вполне можно отнести к категории любительской и даже домашней техники. MDX-15 тоже позволяет обрабатывать различные материалы вплоть до алюминия и бронзы, имеет размер рабочей зоны 15 x 10 x 6 см и точность порядка сотых долей миллиметра. К компьютеру подключается через последовательный порт. Кстати, Roland поставляет к своим станкам специальную пьезоэлектрическую сканирующую головку, которая позволяет делать обратное преобразование - переводить реальные предметы в компьютерные трехмерные модели. Высшая школа экономики, Город, 2010
Микростанки CNC-станки делятся на три основных вида: роутеры (routers), фрезерные (mills) и токарные (lathes). Что из себя представляет токарный станок, думаю и так всем понятно. А чем различаются router и mill проще всего понять из рисунка. Из двух вышеописанных девайсов первый - mill, а второй - router. Кстати, выпускаются и машинки с четырьмя степенями свободы - до определенной степени сочетающие в себе возможности mill и lathe. Использовать всю эту технику можно как для непосредственного изготовления объектов по трехмерным моделям, так и для подготовки форм для литья - это существенно расширяет область применения. Другие возможные применения гравировка, быстрое изготовление печатных плат (никаких фотошаблонов и травления), моделирование (любой, кто хоть раз собирал модель планера должен возненавидеть выпиливание лобзиком на всю оставшуюся жизнь) и еще масса других. Высшая школа экономики, Город, 2010
Что выбрать для 3 D-печати? (ABS vs. PLA) ABS Акрилонитрилбутадиенстирол, или просто АБС. «ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (название пластика образовано из начальных букв наименований мономеров)» . Для большей наглядности продемонстрируем: Свойства: 1. Непрозрачный (Окрашивается в различные цвета). 2. Повышенная ударопрочность и эластичность 3. Нетоксичность 4. Долговечность 5. Стойкость к щелочам и моющим средствам 6. Влагостойкость 7. Маслостойкость 8. Кислотостойкость 9. Теплостойкость 103 °C (до 113 °C у модифицированных марок) 10. Широкий диапазон эксплуатационных температур (от − 40 °C до +90 °C) Высшая школа экономики, Город, 2010
Что выбрать для 3 D-печати? (ABS vs. PLA) ABS Рекомендуется использовать для изготовления: крупных деталей автомобилей (приборных щитков, элементов ручного управления, радиаторной решётки), корпусов крупной бытовой техники, радио- и телеаппаратуры, деталей электроосветительных и электронных приборов, пылесосов, кофеварок, пультов управления, телефонов, факсовых аппаратов, компьютеров, мониторов, принтеров, калькуляторов, другой бытовой и оргтехники, спортинвентаря, деталей оружия, мебели, изделий сантехники, деталей медицинского оборудования, Достоинства: 1. Относительная дешевизна 2. Растворимость в ацетоне (можно сгладить «ступеньки» печати). 3. Легко окрашивается 4. Возможны «доводочные» операции(шлифование, окраска) 5. Возможна работа в большом диапазоне температур 6. Выдерживает значительные ударные нагрузки Недостатки 1. Невозможно изготовить цветным. Необходимые температуры: Рабочая температура — 210 -270 градусов. Рабочий стол — примерно 110 градусов. Высшая школа экономики, Город, 2010
Что выбрать для 3 D-печати? (ABS vs. PLA) PLA Полилакти д (ПЛА) — биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. рименяется для: производства экологически чистой биоразлагаемой упаковки, одноразовой посуды, средств личной гигиены, для производства хирургических нитей и штифтов, а также в системах доставки лекарств. Достоинства: 1. Имеют низкий коэффициент трения (что делает его практически незаменимым в производстве подшипников скольжения). 2. Нетоксичен 3. Низкая температура стеклования 4. Отсутствует необходимость в достаточно гладкой поверхности для рабочего стола 5. Не требуется нагрев стола 6. Экологически чистое производство из возобновляемых источников Недостатки: 1. Дороже АБС 2. Свойство разлагаемости 3. Не поддаётся ацетону (невозможность сглаживания контуров) Необходимые температуры: Рабочая температура — порядка 185 градусов. Высшая школа экономики, Город, 2010
Что выбрать для 3 D-печати? (ABS vs. PLA) Вывод Из вышесказанного видно, что материалы во многом похожи. Выбор того или иного зависит только от назначения изготавливаемого изделия. Однозначно определить фаворита не получилось. Оба имеют весомые аргументы, но, из-за специфики своей работы, я отдаю предпочтение ABS пластикам. Хотя не стоит забывать о биоразлагаемости PLA пластика. Примечания 1. Cополимеры — разновидность полимеров, цепочки молекул которых состоят из двух или более различных структурных звеньев. 2. Алифатические соединения — соединения, не содержащие «колец» схожих на бензольное. 3. Витрифика ция (стеклование) — переход из жидкого состояния в стеклообразное состояние при понижении температуры. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Американские хирурги провели уникальную операцию. Они заменили мужчине кости черепа на 75% имплантатом распечатанным на 3 D-принтере. Пострадавший разбил голову в автомобильной катастрофе. Как заявили врачи, парню сильно повезло: он стесал часть костной ткани, не повредив при этом сам мозг. На помощь пострадавшему пришли инженеры из компании Oxford Performance Materials, которые на 3 D-принтере напечатали имплантат, заменивший порядка 75 процентов поверхности свода черепа. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Дания всерьёз готовится стать одним из лидеров в области применения трёхмерной печати для создания архитектурных конструкций и сооружений. Местная компания заявила о своих планах напечатать первое на европейском континенте здание с помощью 3 D-принтера. Архитектурная студия DUS Architects планирует возвести дом в Амстердаме, печатая его компоненты на огромном принтере Kamer. Maker. Если взглянуть на новости последних месяцев, то станет очевидно, что технологию трёхмерной печати стоит перевести из разряда перспективных в категорию (все более) широко применяющихся. Особое место здесь занимает печать крупных объектов. Под частую — весьма крупных. Например, домов. 3 D-принтер Kamer. Maker (в переводе с датского это означает «изготовитель комнат» ) отличается внушительными размерами: высота конструкции равна трём с половиной метров. Каждый блок здания предварительно напечатают и протестируют в масштабе 1: 20, прежде чем начинать печать компонентов с помощью Kamer. Maker. Дома, напечатанные с использованием 3 D-принтеров, окажутся не менее экологичными, чем обычные деревянные дома. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Канадский инженер Джим Кор уже печатает первый автомобиль. Трёхколесный автомобиль, названый своим создателем Urbee 2, состоит из металлического трубчатого каркаса, обшитого 50 пластиковыми элементами, и весит всего 544 килограмма. Рассчитано транспортное средство для двух человек (водитель и пассажир), и благодаря малой массе расходует очень мало топлива. Оптимальная скорость транспортного средства в режиме электромобиля около 40 км/ч, но для трёхколесного транспорта этого достаточно, чтобы получить порцию адреналина. Если нужно ехать быстрее подключается двигатель внутреннего сгорания — одна из немногих металлических частей в машине. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Этот корсет для сломанной руки — прекрасная комбинация технологии трёхмерной печати и лечебного воздействия ультразвука на повреждённую костную ткань. Автором является Джейк Эвилл. Он разработал лёгкую, прочную и стильную конструкцию, позволяющую коже свободно дышать. Такой корсет печатается по трёхмерной модели конкретной руки. Кроме того, корсет не боится воды, поэтому с ним можно спокойно мыться. Помимо перечисленных преимуществ перед традиционным гипсом, эта конструкция имеет ещё одну важную функцию. К корсету можно подключать LIPUS-генератор (Low Intensity Pulsed Ultrasound), источник импульсного слабого ультразвука. Дело в том, что ультразвук ускоряет заживление повреждённых костных тканей. И прибор можно подключить к корсету напротив перелома. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Люди уже фактически готовы рисовать в воздухе. Мы жестикулируем во время разговора и пытаемся проиллюстрировать свои слова, изображая руками разные фигуры. 3 D-ручки позволяют превратить эти жесты в материальные, видимые объекты. Идея такого устройства уже не нова, но текущие реализации пока далеки от совершенства. Недавно на Kickstarter появился новый проект 3 D-ручки. LIX Pen мала и потребляет мало энергии. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Прошло полгода с момента, когда был представлен пластиковый «Первый в мире огнестрельный пистолет, полностью отпечатанный на 3 D-принтере» . И вот инженеры из техасской компании Solid Concepts впервые в мире напечатали металлический пистолет. Они сделали это для демонстрации возможностей современной промышленной 3 D-печати и вовсе не ставят цель сделать технологию доступной в каждом доме. Впрочем, рано или поздно это неизбежно произойдёт. Для демонстрации был изготовлен культовый пистолет M 1911, созданный Джоном Браунингом. Это первый самозарядный пистолет, который начали использовать в армии США, до этого у них были только револьверы. На фото: Работающая копия самозарядного пистолета M 1911, разработанного Джоном Браунингом. Пистолет состоял на вооружении армии США с 1911 по 1985 годы. Высшая школа экономики, Город, 2010
Интересные факты Как уже было сказано, не так давно на 3 D-принтере был напечатан первый пистолет (об это в пред. слайде). Потом дело стало спориться: появилась винтовка, а затем такие напечатанные «стволы» американская полиция начала находить в полевых условиях, ведь исходники их доступны каждому. Теперь, наконец, США начали запрещать подобное оружие законодательно. Филадельфия стала первым городом, совет которого проголосовал за полный запрет печати оружия при помощи 3 D-принтеров. Скорое принятие такого закона понять несложно: Филадельфия является одним из самых опасных городов США: в 2012 году таём было совершено 331 убийство. Действия против напечатанного оружия предпринимаются и на национальном уровне. Чертежи пистолета Liberator быстро исчезли из Сети буквально через несколько дней после их появления в онлайне, а сенаторы рассматривают возможность расширения закона о недопустимости изготовления оружия, которое невозможно или сложно обнаружить. Хотя напечатанные пистолеты пока очень ненадёжны и неточны, их можно спокойно пронести мимо металлодетекторов, а когда речь идёт о запланированном убийстве, часто одного выстрела достаточно. Высшая школа экономики, Город, 2010
Использованная литература http: //www. 3 dnews. ru/peripheral/3 d-print? full=i. Phone http: //ru. m. wikipedia. org/wiki/3 D-принтер http: //habrahabr. ru/hub/3 d-printers/page 2/ http: //habrahabr. ru/post/179601/ Высшая школа экономики, Город, 2010 фот о
Скачать презентацию 3 D-принтеры Авторы Трухачев И Беньковская А Карасева
3D-принтеры (1).pptx