3D-печать или аддитивное производство — это построение трехмерного объекта на основе модели САПР или цифровой 3D-модели . [1] [2] [3] Это можно сделать с помощью различных процессов, в которых материал осаждается, соединяется или затвердевает под контролем компьютера , [4] при этом материал добавляется вместе (например, пластмассы, жидкости или частицы порошка). сплавляются), как правило, слой за слоем.
В 1980-х годах методы 3D-печати считались подходящими только для производства функциональных или эстетических прототипов, и более подходящим термином в то время было быстрое прототипирование . [5] По состоянию на 2019 год [обновлять]точность, повторяемость и диапазон материалов 3D-печати возросли до такой степени, что некоторые процессы 3D-печати считаются жизнеспособными в качестве технологии промышленного производства; в этом контексте термин «аддитивное производство» можно использовать как синоним 3D-печати . [6] Одним из ключевых преимуществ 3D-печати [7] является возможность создавать очень сложные формы или геометрические формы, которые в противном случае было бы невозможно построить вручную, включая полые детали или детали с внутренними ферменными конструкциями для уменьшения веса при одновременном создании меньшего количества материала. напрасно тратить. Моделирование методом наплавления (FDM), в котором используется непрерывная нить из термопластического материала, является наиболее распространенным процессом 3D-печати, используемым с 2020 года [обновлять]. [8]
Общий термин «аддитивное производство» (АП) приобрел популярность в 2000-х годах [9] , вдохновленный темой объединения материалов ( любыми различными способами ). Напротив, термин субтрактивное производство появился как ретроним для большого семейства процессов обработки , в которых удаление материала является общим процессом. В большинстве умов термин «3D-печать» по-прежнему относился только к полимерным технологиям, а термин « АМ» чаще использовался в контексте металлообработки и производства деталей конечного использования, чем среди энтузиастов полимерной, струйной печати или стереолитографии.
К началу 2010-х годов термины « 3D-печать » и «аддитивное производство» приобрели новый смысл , в котором они стали альтернативными общими терминами для аддитивных технологий: один из них использовался в популярном языке сообществами производителей потребителей и средствами массовой информации, а другой использовался более формально промышленными предприятиями. используйте производителей комплектующих, производителей оборудования и глобальные организации по техническим стандартам. До недавнего времени термин 3D-печать ассоциировался с машинами с низкой ценой и возможностями. [10] 3D-печать и аддитивное производство отражают то, что эти технологии объединяют тему добавления или соединения материалов в 3D-рабочей среде под автоматическим контролем. Питер Зелински, главный редактор журнала «Аддитивное производство» , отметил в 2017 году, что эти термины до сих пор часто являются синонимами в повседневном использовании, [11] но некоторые эксперты обрабатывающей промышленности пытаются провести различие, согласно которому аддитивное производство включает в себя 3D-печать плюс другие технологии или другие аспекты производственного процесса . [11]
Другие термины, которые использовались в качестве синонимов или гиперонимов , включали настольное производство , быстрое производство (как логический преемник быстрого прототипирования на уровне производства ) и производство по требованию (что перекликается с печатью по требованию в 2D- печати ). Тот факт, что применение прилагательных «быстрый » и «по требованию» к существительному «производство» было новшеством в 2000-х годах, раскрывает давно преобладавшую ментальную модель предыдущей индустриальной эпохи, во время которой почти все производственное производство требовало длительного времени на трудоемкую разработку инструментов. Сегодня термин « вычитание» не заменяет термин «механическая обработка» , а дополняет его, когда необходим термин, охватывающий любой метод удаления. Гибкие инструменты — это использование модульных средств для проектирования инструментов, которые производятся методами аддитивного производства или 3D-печати, чтобы обеспечить быстрое прототипирование и реагирование на потребности в инструментах и приспособлениях. В гибких инструментах используется экономичный и высококачественный метод, позволяющий быстро реагировать на потребности клиентов и рынка, и их можно использовать в гидроформовке , штамповке , литье под давлением и других производственных процессах.
Общая концепция и процедура, которая будет использоваться в 3D-печати, была впервые описана Мюрреем Ленстером в его рассказе 1945 года «Вещи проходят мимо»: «Но этот конструктор одновременно эффективен и гибок. Я кормлю магнетронными пластиками — материалом, из которого строят дома». и современные корабли - в эту движущуюся руку. Она рисует в воздухе по рисункам, которые сканирует фотоэлементами. Но пластик выходит из конца тянущей руки и затвердевает по мере приближения... только по рисункам" [ 12 ]
Это также было описано Рэймондом Ф. Джонсом в его рассказе «Инструменты торговли», опубликованном в ноябрьском номере журнала Astounding Science Fiction за 1950 год . В этой истории он назвал это «молекулярным спреем».
В 1971 году Йоханнес Ф. Готвальд запатентовал устройство для записи жидкого металла ( патент США 3596285A) , устройство непрерывной струйной печати из металлического материала, позволяющее формировать съемную металлическую конструкцию на поверхности многократного использования для немедленного использования или для повторной печати путем переплавки. Похоже, это первый патент, описывающий 3D-печать с быстрым прототипированием и контролируемым изготовлением моделей по требованию.
В патенте указано:
Используемый здесь термин «печать» не подразумевается в ограниченном смысле, но включает в себя написание или другие символы, формирование знаков или узоров с помощью чернил. Термин «чернила», используемый в, предназначен для включения не только материалов, содержащих краситель или пигмент, но и любого текучего вещества или композиции, подходящей для нанесения на поверхность для формирования символов, знаков или интеллектуальных узоров путем маркировки. Предпочтительные чернила относятся к типу термоплавких чернил. Диапазон коммерчески доступных композиций чернил, которые могли бы удовлетворить требованиям изобретения, в настоящее время неизвестен. Однако удовлетворительная печать согласно изобретению была достигнута с использованием проводящего металлического сплава в качестве чернил.
Но с точки зрения требований к материалам для таких больших и непрерывных дисплеев, если бы они потреблялись с известными ранее темпами, но увеличивались пропорционально увеличению размера, высокая стоимость серьезно ограничивала бы любое широкое распространение процесса или устройства, удовлетворяющего вышеупомянутые цели.
Поэтому дополнительной целью изобретения является минимизация использования материалов в процессе указанного класса.
Еще одной целью изобретения является сохранение материалов, используемых в таком процессе, для повторного использования.
Согласно другому аспекту изобретения комбинация для письма и т.п. содержит носитель для отображения интеллектуального шаблона и устройство для удаления шаблона с носителя.
В 1974 году Дэвид Джонс изложил концепцию 3D-печати в своей регулярной колонке «Ариадна» в журнале New Scientist . [13] [14]
Первые оборудование и материалы для аддитивного производства были разработаны в 1980-х годах. [15]
В апреле 1980 года Хидео Кодама из Нагойского муниципального института промышленных исследований изобрел два аддитивных метода изготовления трехмерных пластиковых моделей с использованием фотоотверждаемого термореактивного полимера , где область воздействия УФ-излучения контролируется с помощью рисунка маски или сканирующего волоконного передатчика. [16] Он подал патент на этот плоттер XYZ, который был опубликован 10 ноября 1981 года (JP S56-144478). [17] Результаты его исследований в виде журнальных статей были опубликованы в апреле и ноябре 1981 года. [18] [19] Однако на серию его публикаций не последовало никакой реакции. Его устройство не получило высокой оценки в лаборатории, и его начальник не проявил к нему никакого интереса. Его исследовательский бюджет составлял всего 60 000 иен или 545 долларов в год. От приобретения патентных прав на плоттер XYZ отказались, а проект закрыли.
Патент США 4323756 на метод изготовления изделий путем последовательного осаждения , выданный 6 апреля 1982 года компании Raytheon Technologies Corp, описывает использование сотен или тысяч «слоев» порошкового металла и источника лазерной энергии и представляет собой раннюю ссылку на формирование «слоев» и изготовление изделий на подложке.
2 июля 1984 года американский предприниматель Билл Мастерс подал патент на свой компьютерный автоматизированный производственный процесс и систему (US 4665492). [20] Эта заявка зарегистрирована в USPTO как первый патент на 3D-печать в истории; это был первый из трех патентов, принадлежащих Мастерсу, которые заложили основу для систем 3D-печати, используемых сегодня. [21] [22]
16 июля 1984 года Ален Ле Мехоте , Оливье де Витте и Жан-Клод Андре подали заявку на патент на процесс стереолитографии . [23] Заявка французских изобретателей была отклонена французской компанией General Electric (ныне Alcatel-Alsthom) и CILAS (Лазерный консорциум). [24] Заявленная причина заключалась в «отсутствии деловой перспективы». [25]
В 1983 году Роберт Ховард основал компанию RH Research, позже названную Howtek, Inc., в феврале 1984 года, для разработки цветного струйного 2D-принтера Pixelmaster, коммерциализированного в 1986 году, с использованием термопластических (горячеплавких) пластиковых чернил. [26] Была собрана команда, состоящая из 6 членов [26] из Exxon Office Systems, Danbury Systems Division, стартапа по производству струйных принтеров и нескольких членов группы Howtek, Inc, которые стали популярными фигурами в индустрии 3D-печати. Один из членов Howtek, Ричард Хелински (патент US5136515A, «Метод и средства для создания трехмерных изделий путем осаждения частиц», заявка от 07.11.1989, выдана 04.08.1992), основал в Нью-Гэмпшире компанию CAD-Cast, Inc, название позже было изменено. в Visual Impact Corporation (VIC) 22 августа 1991 г. Прототип 3D-принтера VIC для этой компании доступен вместе с видеопрезентацией, показывающей 3D-модель, напечатанную с помощью струйной печати с одним соплом. Другой сотрудник, Герберт Менхеннетт, в 1991 году основал нью-гемпширскую компанию HM Research и представил Howtek, Inc., технологию струйной печати и термопластические материалы Ройдену Сандерсу из SDI и Биллу Мастерсу из компании Ballistic Particle Manufacturing (BPM), где он проработал несколько лет. И в 3D-принтерах BPM, и в 3D-принтерах SPI используются струйные принтеры в стиле Howtek, Inc и материалы в стиле Howtek, Inc. Ройден Сандерс лицензировал патент Helinksi до производства Modelmaker 6 Pro в компании Sanders Prototype, Inc (SPI) в 1993 году. Джеймс К. МакМахон, который был нанят Howtek, Inc для помощи в разработке струйного принтера, позже работал в Sanders Prototype, а теперь управляет Layer Grown Model Technology, поставщик 3D-услуг, специализирующийся на поддержке струйных принтеров Howtek с одним соплом и SDI. Джеймс К. МакМахон работал в Exxon со Стивеном Золтаном, изобретателем струйной печати по требованию в 1972 году, и в 1978 году получил патент, который расширил понимание конструкции струйных принтеров с одним соплом (струйные принтеры Alpha) и помог усовершенствовать термоклей Howtek, Inc. струйные принтеры. Эта технология термоплавкого термопласта Howtek популярна при литье по выплавляемым моделям, особенно в ювелирной промышленности с 3D-печатью. [27] Первым клиентом компании Sanders (SDI) Modelmaker 6Pro была компания Hitchner Corporation, Metal Casting Technology, Inc в Милфорде, штат Нью-Хэмпшир, в миле от предприятия SDI, в конце 1993-1995 годов занимавшаяся литьем клюшек для гольфа и деталей автомобильных двигателей.
8 августа 1984 года был подан патент US4575330, переданный UVP, Inc., позже переданный Чаку Халлу из 3D Systems Corporation [28] , его собственный патент на систему изготовления стереолитографии , в которой отдельные пластинки или слои добавляются путем отверждения. фотополимеры с падающим излучением, бомбардировкой частиц, химической реакцией или просто ультрафиолетовыми лазерами . Халл определил этот процесс как «систему создания трехмерных объектов путем создания образца поперечного сечения формируемого объекта». [29] [30] Вкладом Халла стал формат файлов STL (стереолитография) и стратегии цифрового нарезки и заполнения, общие для многих процессов сегодня. В 1986 году Чарльз «Чак» Халл получил патент на эту систему, и была основана его компания 3D Systems Corporation, которая выпустила первый коммерческий 3D-принтер SLA-1 [31] позже, в 1987 или 1988 году.
Технология, используемая на сегодняшний день большинством 3D-принтеров, особенно моделями для любителей и ориентированными на потребителя, — это моделирование методом наплавления , специальное применение экструзии пластика , разработанное в 1988 году С. Скоттом Крампом и коммерциализированное его компанией Stratasys , которая выпустила на рынок свой первый FDM. машина 1992 года выпуска. [27]
Владение 3D-принтером в 1980-х годах стоило более 300 000 долларов (650 000 долларов в долларах 2016 года). [32]
Процессы AM спекания или плавления металлов (такие как селективное лазерное спекание , прямое лазерное спекание металлов и селективное лазерное плавление) в 1980-х и 1990-х годах обычно имели свои собственные названия. В то время вся металлообработка выполнялась с помощью процессов, которые сейчас называются неаддитивными ( литье , изготовление , штамповка и механическая обработка ); хотя к этим технологиям применялось много средств автоматизации (например, с помощью роботизированной сварки и ЧПУ ), идея о том, что инструмент или головка перемещаются через трехмерную рабочую зону, преобразуя массу сырья в желаемую форму с помощью траектории инструмента, была связана только с металлообработкой. с процессами, которые удаляют металл (а не добавляют его), такими как фрезерование с ЧПУ , электроэрозионная обработка с ЧПУ и многие другие. Однако автоматизированные методы добавления металла, которые позже будут называться аддитивным производством, начали оспаривать это предположение. К середине 1990-х годов в Стэнфорде и Университете Карнеги-Меллон были разработаны новые методы нанесения материалов , включая микролитье [33] и напыление материалов. [34] Жертвенные и вспомогательные материалы также стали более распространенными, что позволило создавать новые геометрии объектов. [35]
Термин «3D-печать» первоначально относился к процессу порошковой печати с использованием стандартных и специальных струйных печатающих головок, разработанному в Массачусетском технологическом институте Эмануэлем Саксом в 1993 году и коммерциализированному компаниями Soligen Technologies, Extrume Hone Corporation и Z Corporation . [ нужна цитата ]
В 1993 году также было основано предприятие по производству струйных 3D-принтеров, первоначально названное Sanders Prototype, Inc, а затем Solidscape , представившее высокоточную систему струйного изготовления полимеров с растворимыми опорными структурами (относимую к технологии «точка-точка»). ). [27]
В 1995 году Общество Фраунгофера разработало процесс селективной лазерной плавки .
В начале 2000-х годов 3D-принтеры все еще в основном использовались только в производственной и исследовательской отраслях, поскольку технология была еще относительно молодой и была слишком дорогой, чтобы большинство потребителей могли ее приобрести. В 2000-х годах эта технология начала использоваться в промышленности, чаще всего в архитектуре и медицине, хотя обычно она использовалась для моделирования и испытаний с низкой точностью, а не для производства обычных промышленных товаров или тяжелого прототипирования. [36]
В 2005 году пользователи начали разрабатывать и распространять чертежи 3D-принтеров, которые могли печатать около 70% их собственных деталей, первоначальные чертежи которых были разработаны Адрианом Бойером из Университета Бата в 2004 году, с названием проекта RepRap ( Репликация Рапид-прототипера). [37]
Аналогичным образом, в 2006 году Эван Мэлоун и Ход Липсон начали проект Fab@Home , еще один проект, целью которого было разработать недорогую систему производства с открытым исходным кодом, которую пользователи могли бы разрабатывать самостоятельно и оставлять отзывы, что делало проект очень популярным. совместный. [38]
Большая часть программного обеспечения для 3D-печати, доступного общественности в то время, имела открытый исходный код и поэтому быстро распространялась и улучшалась многими отдельными пользователями. В 2009 году истек срок действия патентов на процесс печати методом плавного осаждения (FDM). Это открыло двери новой волне стартапов, многие из которых были созданы крупными участниками этих инициатив с открытым исходным кодом, с целью многих из них начать разработку коммерческих 3D-принтеров FDM, которые были бы более доступны для широкой публики. [39]
По мере развития различных аддитивных процессов стало ясно, что вскоре удаление металла перестанет быть единственным процессом металлообработки , выполняемым с помощью инструмента или головки, перемещающихся через трехмерную рабочую оболочку, преобразуя массу сырья в желаемую форму слой за слоем. 2010-е годы были первым десятилетием, в котором металлические детали конечного использования, такие как кронштейны двигателя [40] и большие гайки [41], будут выращиваться (либо до, либо вместо механической обработки) в ходе производственного производства , а не обязательно подвергаться механической обработке из прутка или пластины. . Литье, изготовление, штамповка и механическая обработка по-прежнему более распространены, чем аддитивное производство в металлообработке, но аддитивное производство сейчас начинает добиваться значительных успехов, и, учитывая преимущества проектирования для аддитивного производства , инженерам становится ясно, что еще впереди.
Одна из областей, где AM добивается значительного успеха, — это авиационная промышленность. Учитывая почти 3,8 миллиарда авиапассажиров в 2016 году [42] , спрос на экономичные и легко производимые реактивные двигатели никогда не был таким высоким. Для крупных OEM-производителей (производителей оригинального оборудования), таких как Pratt and Whitney (PW) и General Electric (GE), это означает обращение к AM как к способу снижения затрат, уменьшения количества несоответствующих деталей, уменьшения веса двигателей для повышения топливной эффективности и экономичности. находить новые, очень сложные формы, которые было бы невозможно реализовать с помощью устаревших методов производства. Одним из примеров интеграции AM с аэрокосмической отраслью стал 2016 год, когда Airbus поставил первый двигатель GE LEAP . Этот двигатель оснащен встроенными топливными форсунками, напечатанными на 3D-принтере, что позволяет сократить количество деталей с 20 до 1, снизить вес на 25% и сократить время сборки. [43] Топливная форсунка является идеальным решением для аддитивного производства в реактивном двигателе, поскольку она позволяет оптимизировать конструкцию сложных внутренних устройств и представляет собой невращающуюся деталь с низкими нагрузками. Аналогичным образом, в 2015 году PW поставила Bombardier свои первые детали AM для PurePower PW1500G. Придерживаясь малонагруженных, невращающихся деталей, компания PW выбрала статоры компрессора и кронштейны синхронизирующих колец [44] , чтобы впервые внедрить эту новую производственную технологию. Хотя AM по-прежнему играет небольшую роль в общем количестве деталей в процессе производства реактивных двигателей, окупаемость инвестиций уже можно увидеть по сокращению количества деталей, возможностям быстрого производства и «оптимизированной конструкции с точки зрения производительности и стоимости». ". [45]
По мере развития технологий некоторые авторы начали предполагать, что 3D-печать может помочь в устойчивом развитии развивающихся стран. [46]
В 2012 году Filabot разработала систему замыкания цикла [47] с помощью пластика, которая позволяет любому 3D-принтеру FDM или FFF печатать с использованием более широкого спектра пластиков.
В 2014 году Бенджамин С. Кук и Манос М. Тенцерис продемонстрировали первую вертикально интегрированную платформу аддитивного производства печатной электроники, работающую из нескольких материалов (VIPRE), которая позволяла 3D-печать функциональной электроники, работающей на частоте до 40 ГГц. [48]
Когда цены на принтеры начали падать, люди, интересующиеся этой технологией, получили больше доступа и свободы делать то, что они хотели. По состоянию на 2014 год цена на коммерческие принтеры все еще была высокой: более 2000 долларов. [49]
Термин «3D-печать» первоначально относился к процессу, при котором связующий материал наносится на слой порошка с помощью головок струйного принтера слой за слоем. Совсем недавно в популярном просторечии этот термин стал использоваться для обозначения более широкого спектра методов аддитивного производства, таких как электронно-лучевое аддитивное производство и селективное лазерное плавление. В Соединенных Штатах и мировых технических стандартах в этом более широком смысле используется официальный термин « аддитивное производство» .
Наиболее часто используемый процесс 3D-печати (46% по состоянию на 2018 год [обновлять]) — это метод экструзии материала, называемый моделированием наплавления или FDM. [8] Хотя технология FDM была изобретена после двух других наиболее популярных технологий, стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS), FDM, как правило, является самой недорогой из трех с большим отрывом, [ нужна ссылка ] , что обеспечивает популярность процедуры.
По состоянию на 2020 год 3D-принтеры достигли того уровня качества и цены, который позволяет большинству людей войти в мир 3D-печати. В 2020 году принтеры достойного качества можно будет найти менее чем за 200 долларов США для машин начального уровня. Эти более доступные принтеры обычно представляют собой принтеры для моделирования методом наплавления (FDM). [50]
В ноябре 2021 года британский пациент по имени Стив Верзе получил первый в мире полностью напечатанный на 3D-принтере протез глаза в офтальмологической больнице Мурфилдс в Лондоне . [51] [52]
Аддитивное производство или 3D-печать быстро приобрело значение в области машиностроения благодаря своим многочисленным преимуществам. Некоторые из этих преимуществ включают в себя возможность более быстрого прототипирования, снижение производственных затрат, повышение индивидуализации продукта и улучшение качества продукта. [53]
Более того, возможности 3D-печати вышли за рамки традиционного производства и стали применяться в системах возобновляемой энергетики. [54] Технология 3D-печати может быть использована для производства аккумуляторных систем хранения энергии, которые необходимы для устойчивого производства и распределения энергии.
Еще одним преимуществом 3D-печати является способность технологии создавать изделия сложной геометрии с высокой точностью и аккуратностью. [55] Это особенно актуально в области микроволновой техники, где 3D-печать можно использовать для производства компонентов с уникальными свойствами, которых трудно достичь с помощью традиционных методов производства. [56]
.jpg/1280px-84530877_FillingSys_(9415669149).jpg)
Модели для 3D-печати могут быть созданы с помощью пакета автоматизированного проектирования (САПР), с помощью 3D-сканера или с помощью простой цифровой камеры и программного обеспечения для фотограмметрии . 3D-печатные модели, созданные с помощью САПР, дают относительно меньше ошибок, чем другие методы. Ошибки в моделях для 3D-печати можно выявить и исправить перед печатью. [57] Процесс ручного моделирования для подготовки геометрических данных для 3D-компьютерной графики аналогичен пластическим искусствам, таким как скульптура. 3D-сканирование — это процесс сбора цифровых данных о форме и внешнем виде реального объекта и создания на их основе цифровой модели.
Модели САПР можно сохранять в формате файлов стереолитографии (STL) , который де-факто является форматом файлов САПР для аддитивного производства, в котором хранятся данные на основе триангуляции поверхности моделей САПР. STL не предназначен для аддитивного производства, поскольку он генерирует файлы больших размеров с оптимизированными по топологии деталями и решетчатыми структурами из-за большого количества задействованных поверхностей. Для решения этой проблемы в 2011 году был представлен новый формат файлов САПР — формат файлов аддитивного производства (AMF) . Он хранит информацию, используя изогнутые триангуляции. [58]
Прежде чем печатать 3D-модель из файла STL , ее необходимо сначала проверить на наличие ошибок. Большинство приложений САПР выдают ошибки в выходных файлах STL [59] [60] следующих типов:
Этап генерации STL, известный как «восстановление», устраняет такие проблемы в исходной модели. [63] [64] Как правило, STL, созданные на основе модели, полученной с помощью 3D-сканирования, часто имеют больше подобных ошибок [65] , поскольку 3D-сканирование часто достигается путем получения/картирования по точкам. 3D-реконструкция часто содержит ошибки. [66]
После завершения файл STL необходимо обработать с помощью программного обеспечения, называемого « слайсером », которое преобразует модель в серию тонких слоев и создает файл G-кода , содержащий инструкции, адаптированные для конкретного типа 3D-принтера ( FDM) . принтеры ). [67] Этот файл G-кода затем можно распечатать с помощью клиентского программного обеспечения 3D-печати (которое загружает G-код и использует его для управления 3D-принтером во время процесса 3D-печати).
Разрешение принтера описывает толщину слоя и разрешение X–Y в точках на дюйм (т/д) или микрометрах (мкм). Типичная толщина слоя составляет около 100 мкм (250 точек на дюйм ), хотя некоторые машины могут печатать слои толщиной до 16 мкм (1600 точек на дюйм). [68] Разрешение X–Y сравнимо с разрешением лазерных принтеров . Частицы (3D-точки) имеют диаметр от 0,01 до 0,1 мкм (от 2 540 000 до 250 000 точек на дюйм). [69] Для этого разрешения принтера задание разрешения сетки 0,01–0,03 мм и длины хорды ≤ 0,016 мм позволяет создать оптимальный выходной файл STL для данного входного файла модели. [70] Выбор более высокого разрешения приводит к увеличению размера файлов без улучшения качества печати.
Построение модели современными методами может занять от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от используемого метода, размера и сложности модели. Аддитивные системы обычно позволяют сократить это время до нескольких часов, хотя оно сильно варьируется в зависимости от типа используемого оборудования, а также размера и количества моделей, производимых одновременно.
Хотя разрешение и качество поверхности, создаваемые принтером, достаточны для некоторых приложений, методы постобработки и окончательной обработки дают такие преимущества, как более высокая точность размеров, более гладкие поверхности и другие модификации, такие как окраска.
Качество поверхности 3D-печатной детали можно улучшить с помощью субтрактивных методов, таких как шлифование и дробеструйная обработка. При сглаживании деталей, требующих точности размеров, важно учитывать объем удаляемого материала. [71]
Некоторые полимеры, пригодные для печати, такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), позволяют сглаживать и улучшать качество поверхности с помощью химических паровых процессов [72] на основе ацетона или аналогичных растворителей.
Некоторые методы аддитивного производства могут выиграть от отжига в качестве этапа постобработки. Отжиг детали, напечатанной на 3D-принтере, обеспечивает лучшее соединение внутренних слоев за счет рекристаллизации детали. Это позволяет улучшить механические свойства, некоторые из которых - вязкость разрушения , [73] прочность на изгиб , [74] ударопрочность , [75] и термостойкость . [75] Отжиг компонента может оказаться неприемлемым для применений, где требуется точность размеров, поскольку он может вызвать коробление или усадку из-за нагрева и охлаждения. [76]
Аддитивное или субтрактивное гибридное производство (ASHM) — это метод, который включает в себя производство 3D-печатной детали и использование механической обработки (субтрактивное производство) для удаления материала. [77] Операции механической обработки могут выполняться после каждого слоя или после завершения всей 3D-печати, в зависимости от требований приложения. Эти гибридные методы позволяют 3D-печатным деталям достигать лучшего качества поверхности и точности размеров. [78]
Многослойная структура традиционных процессов аддитивного производства приводит к ступенчатому эффекту на поверхностях деталей, которые изогнуты или наклонены по отношению к платформе здания. Эффект сильно зависит от высоты используемого слоя, а также от ориентации поверхности детали в процессе сборки. [79] Этот эффект можно свести к минимуму с помощью «переменной высоты слоя» или «адаптивной высоты слоя». Эти методы уменьшают высоту слоя в тех местах, где требуется более высокое качество. [80]
Покраска детали, напечатанной на 3D-принтере, обеспечивает широкий спектр отделки и внешнего вида, которые невозможно достичь с помощью большинства методов 3D-печати. Процесс обычно включает в себя несколько этапов, таких как подготовка поверхности, грунтование и покраска. [81] Эти действия помогут подготовить поверхность детали и обеспечить правильное прилегание краски.
Некоторые методы аддитивного производства позволяют использовать несколько материалов одновременно. Эти методы позволяют одновременно печатать несколькими цветами и цветовыми комбинациями и создавать детали, которые не обязательно требуют покраски.
Некоторые методы печати требуют создания внутренних опор для поддержки нависающих элементов во время строительства. Эти подложки необходимо удалить механически или растворить, если после завершения печати используется водорастворимый материал подложки, такой как ПВА .
Некоторые коммерческие 3D-принтеры по металлу предусматривают отрезание металлического компонента от металлической подложки после осаждения. Новый процесс 3D-печати GMAW позволяет модифицировать поверхность подложки, удаляя алюминий [82] или сталь . [83]
Традиционно в 3D-печати основное внимание уделялось полимерам для печати из-за простоты производства и обработки полимерных материалов. Однако метод быстро развился, позволяя печатать не только различные полимеры [85] , но также металлы [86] [87] и керамику [88] , что делает 3D-печать универсальным вариантом для производства. Послойное изготовление трехмерных физических моделей — это современная концепция, которая «вытекает из постоянно растущей индустрии САПР, в частности, из области твердотельного моделирования в САПР. До того, как твердотельное моделирование было введено в конце 1980-х годов, трехмерные модели были созданы с помощью проволочных каркасов и поверхностей». [89] , но во всех случаях слои материалов контролируются принтером и свойствами материала. Слой трехмерного материала контролируется скоростью осаждения, установленной оператором принтера и сохраненной в компьютерном файле. Самым ранним печатным запатентованным материалом были чернила термоплавкого типа для печати рисунков с использованием нагретого металлического сплава.
Чарльз Халл подал первый патент 8 августа 1984 года на использование акриловой смолы, отверждаемой УФ-излучением, с использованием источника света с УФ-маской в UVP Corp для создания простой модели. SLA-1 был первым продуктом SL, анонсированным компанией 3D Systems на выставке Autofact Exposition в Детройте в ноябре 1978 года. Бета-версия SLA-1 была отправлена в январе 1988 года компаниям Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors и AMP. Первый серийный SLA-1 был отправлен компании Precision Castparts в апреле 1988 года. Материал УФ-смолы быстро был заменен на смолу на основе эпоксидной смолы. В обоих случаях модели SLA-1 нуждались в отверждении в УФ-печи после промывки растворителем для удаления незастывшей граничной смолы. Вместе со всеми системами продавалось устройство постотверждения (PCA). Ранним принтерам смолы требовалось лезвие, чтобы перемещать свежую смолу по модели на каждом слое. Толщина слоя составляла 0,006 дюйма, а модель HeCd-лазера SLA-1 имела мощность 12 Вт и двигалась по поверхности со скоростью 30 дюймов в секунду. УВП была приобретена 3D Systems в январе 1990 года. [90]
Обзор истории показывает, что ряд материалов (смолы, пластиковый порошок, пластиковая нить и термоплавкие пластиковые чернила) использовались в 1980-х годах для получения патентов в области быстрого прототипирования. Смола, отверждаемая УФ-излучением, была также представлена компанией Cubital Ицчаком Померанцем в Солдате 5600, термопластическими порошками Карла Декарда (DTM), спеченными лазером, и бумагой, вырезанной методом клейкой лазерной резки (LOM), уложенной стопкой для формирования объектов Майклом Фейгиным до того, как 3D Systems выпустила свою первую объявление. Скотт Крамп также работал над моделированием экструдированных «расплавленных» пластиковых нитей (FDM), а осаждение капель было запатентовано Уильямом Э. Мастерсом через неделю после патента Халла в 1984 году, но ему пришлось открыть для себя термопластичные струйные принтеры, представленные 3D-принтером Visual Impact Corporation в в 1992 году, использовал струйные принтеры Howtek, Inc., прежде чем в 1994 году основал компанию BPM, чтобы выпустить свой собственный 3D-принтер. [90]
Усилия по созданию 3D-печати из нескольких материалов варьируются от улучшенных процессов, подобных FDM, таких как VoxelJet, до новых технологий печати на основе вокселей, таких как многослойная сборка. [91]
Недостатком многих существующих технологий 3D-печати является то, что они позволяют печатать только один материал за раз, что ограничивает множество потенциальных приложений, требующих интеграции различных материалов в один и тот же объект. 3D-печать из нескольких материалов решает эту проблему, позволяя изготавливать объекты из сложных и разнородных материалов с помощью одного принтера. Здесь материал должен быть указан для каждого вокселя (или элемента пикселя 3D-печати) внутри конечного объема объекта.
Однако этот процесс может быть чреват осложнениями из-за изолированных и монолитных алгоритмов. Некоторые коммерческие устройства пытались решить эти проблемы, например, создавая транслятор Spec2Fab, но прогресс пока очень ограничен. [92] Тем не менее, в медицинской отрасли была представлена концепция 3D-печатных таблеток и вакцин. [93] Благодаря этой новой концепции можно комбинировать несколько лекарств, что, как ожидается, снизит многие риски. С ростом числа применений 3D-печати из нескольких материалов затраты на повседневную жизнь и развитие высоких технологий неизбежно станут ниже.
Также исследуются металлографические материалы для 3D-печати. [94] Классифицируя каждый материал, CIMP-3D может систематически выполнять 3D-печать с использованием нескольких материалов. [95]
Использование 3D-печати и структур из нескольких материалов в аддитивном производстве позволило спроектировать и создать то, что называется 4D-печатью. 4D-печать — это процесс аддитивного производства, при котором напечатанный объект меняет форму со временем, температурой или каким-либо другим типом воздействия. 4D-печать позволяет создавать динамические структуры с регулируемыми формами, свойствами или функциональностью. Умные/реагирующие на стимулы материалы, созданные с помощью 4D-печати, можно активировать для создания расчетных реакций, таких как самосборка, самовосстановление, многофункциональность, реконфигурация и изменение формы. Это позволяет печатать материалы, меняющие форму и запоминающие форму, по индивидуальному заказу. [96]
4D-печать имеет потенциал для поиска новых применений и применений материалов (пластиков, композитов, металлов и т. д.), а также для создания новых сплавов и композитов, которые раньше были нежизнеспособны. Универсальность этой технологии и материалов может привести к прогрессу во многих областях промышленности, включая космическую, коммерческую и медицинскую. Повторяемость, точность и диапазон материалов для 4D-печати должны увеличиться, чтобы процесс стал более практичным во всех этих отраслях.
Чтобы стать жизнеспособным вариантом промышленного производства, 4D-печать должна преодолеть несколько проблем. Проблемы 4D-печати включают тот факт, что микроструктуры этих печатных интеллектуальных материалов должны быть близки или лучше, чем у деталей, полученных с помощью традиционных процессов механической обработки. Необходимо разработать новые и настраиваемые материалы, способные последовательно реагировать на различные внешние раздражители и принимать желаемую форму. Существует также необходимость разработки нового программного обеспечения для различных типов 4D-печати. Программное обеспечение для 4D-печати должно будет учитывать базовый интеллектуальный материал, технику печати, а также структурные и геометрические требования к дизайну. [97]
ISO/ASTM52900-15 определяет семь категорий процессов аддитивного производства (АП) по своему смыслу. [98] [99] Это:
Основные различия между процессами заключаются в способе нанесения слоев при создании деталей и в используемых материалах. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, поэтому некоторые компании предлагают на выбор порошок и полимер в качестве материала, из которого построен объект. [100] Другие иногда используют стандартную, имеющуюся в продаже деловую бумагу в качестве строительного материала для создания долговечного прототипа. Основными факторами при выборе машины обычно являются скорость, стоимость 3D-принтера, напечатанного прототипа, выбор и стоимость материалов, а также возможности цветопередачи. [101] Принтеры, работающие непосредственно с металлами, обычно дороги. Однако для изготовления пресс-форм можно использовать менее дорогие принтеры, которые затем используются для изготовления металлических деталей. [102]
Первый процесс, в котором трехмерный материал осаждается для формирования объекта, был осуществлен с помощью струйной обработки материала [27] или, как его первоначально называли, осаждением частиц. Нанесение частиц с помощью струйной печати сначала началось с технологии непрерывной струйной печати (CIT) (1950-е годы), а затем с технологии струйной печати «капля по требованию» (1970-е годы) с использованием термоплавких чернил. Восковые чернила были первыми трехмерными материалами, наносимыми струей, а позже с помощью CIT начали наносить низкотемпературные сплавы. Затем Министерство обороны США выпустило воск и термопластичные термоклеи. Объекты были очень маленькими и начинались с текстовых символов и цифр для вывесок. Объект должен иметь форму и с ним можно обращаться. Восковые символы упали с бумажных документов и в 1971 году вдохновили на патент на устройство для записи жидкого металла, позволяющий создавать металлические символы для вывесок. В 1984 году термопластическими цветными чернилами (CMYK) печатались слои каждого цвета, образуя первые слоистые объекты, сформированные в цифровой форме. Идея инвестиций литье с использованием изображений или узоров, нанесенных методом струйной печати твердыми чернилами, в 1984 году привело к получению первого патента на формирование изделий путем осаждения частиц в 1989 году, выданного в 1992 году.
Некоторые методы плавят или смягчают материал для образования слоев. При изготовлении плавленых нитей , также известном как моделирование методом наплавления (FDM), модель или деталь изготавливается путем экструзии небольших шариков или потоков материала, которые сразу же затвердевают с образованием слоев. Нить из термопластика , металлической проволоки или другого материала подается в головку экструзионного сопла ( экструдер 3D-принтера ), которая нагревает материал и включает и выключает поток. FDM несколько ограничен в вариациях форм, которые можно изготовить. Другой метод сплавляет части слоя, а затем перемещается вверх в рабочей зоне, добавляя еще один слой гранул и повторяя процесс до тех пор, пока кусок не будет собран. В этом процессе используется несплавленная среда для поддержки выступов и тонких стенок изготавливаемой детали, что снижает потребность во временных вспомогательных опорах для детали. [103] Недавно технология FFF/FDM расширилась до 3D-печати непосредственно из гранул, чтобы избежать преобразования в нить. Этот процесс называется производством плавленых частиц (FPF) (или производством плавленых гранул (FGF) и потенциально может использовать больше переработанных материалов. [104]
Методы сварки в порошковом слое, или PBF, включают несколько процессов, таких как DMLS , SLS , SLM, MJF и EBM . Процессы плавления в порошковом слое могут использоваться с множеством материалов, а их гибкость позволяет создавать геометрически сложные структуры, [105] что делает его хорошим выбором для многих проектов 3D-печати. Эти методы включают селективное лазерное спекание как металлов, так и полимеров, а также прямое лазерное спекание металлов . [106] При селективном лазерном плавлении не используется спекание для плавления гранул порошка, а полностью плавится порошок с помощью высокоэнергетического лазера для создания полностью плотных материалов послойным методом, которые имеют механические свойства, аналогичные свойствам обычных промышленных металлов. . Электронно-лучевая плавка — это аналог технологии аддитивного производства металлических деталей (например, титановых сплавов ). EBM производит детали путем плавления металлического порошка слой за слоем электронным лучом в высоком вакууме. [107] [108] Другой метод состоит из системы струйной 3D-печати , которая создает модель по одному слою за раз, распределяя слой порошка ( штукатурки или смолы ) и печатая связующее вещество в поперечном сечении детали с помощью струйный процесс. При производстве ламинированных изделий тонкие слои разрезаются по форме и соединяются. В дополнение к ранее упомянутым методам HP разработала Multi Jet Fusion (MJF), который представляет собой метод на основе порошка, хотя лазеры не используются. В струйной матрице наносятся термоплавкие и детализирующие вещества, которые затем объединяются путем нагревания для создания твердого слоя. [109]
Технология 3D-печати методом струйной печати представляет собой нанесение связующего клеящего вещества на слои материала, обычно в виде порошка. Материалы могут быть на основе керамики или металла. Этот метод также известен как система струйной 3D-печати . Для изготовления изделия принтер строит модель с помощью головки, которая перемещается по основанию платформы и наносит слой за слоем, распределяя слой порошка ( гипса или смолы ) и печатая связующее вещество в поперечном сечении детали. часть с использованием процесса, подобного струйной печати. Это повторяется до тех пор, пока не будет напечатан каждый слой. Эта технология позволяет печатать полноцветные прототипы, выступы и детали из эластомера. Прочность склеенных порошковых отпечатков можно повысить с помощью пропитки воском или термореактивным полимером. [110]
Другие методы отверждения жидких материалов используют различные сложные технологии, такие как стереолитография . Фотополимеризация в основном используется в стереолитографии для получения твердой части из жидкости. Системы струйных принтеров, такие как система Objet PolyJet, распыляют фотополимерные материалы на модельный лоток ультратонкими слоями (от 16 до 30 мкм) до тех пор, пока деталь не будет завершена. [111] Каждый фотополимерный слой после нанесения струей отверждается УФ-светом, в результате чего получаются полностью отвержденные модели, с которыми можно обращаться и использовать немедленно, без последующего отверждения. Сверхмаленькие детали можно создавать с помощью техники 3D-микропроизводства, используемой при многофотонной фотополимеризации. Из-за нелинейного характера фотовозбуждения гель отверждается до твердого состояния только в тех местах, где был сфокусирован лазер, а остатки геля затем смываются. Легко изготавливаются элементы размером менее 100 нм, а также сложные структуры с движущимися и взаимосвязанными частями. [112] Еще один подход использует синтетическую смолу, которая затвердевает с помощью светодиодов . [113]
В стереолитографии на основе проекции изображения маски трехмерная цифровая модель нарезается набором горизонтальных плоскостей. Каждый срез преобразуется в двумерное изображение маски. Затем изображение маски проецируется на поверхность фотоотверждаемой жидкой смолы, а свет проецируется на смолу, чтобы отвердить ее в форме слоя. [114] Непрерывное производство раздела жидкостей начинается с ванны жидкой фотополимерной смолы . Часть дна бассейна прозрачна для ультрафиолета («окно»), что приводит к затвердеванию смолы. Объект поднимается достаточно медленно, чтобы смола могла затекать под него и поддерживать контакт с нижней частью объекта. [115] При осаждении направленной энергии с подачей порошка мощный лазер используется для плавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Процесс направленной энергии с подачей порошка аналогичен селективному лазерному спеканию, но металлический порошок применяется только там, где в этот момент к детали добавляется материал. [116] [117]
Компьютерная аксиальная литография — это метод 3D-печати, основанный на сканировании компьютерной томографии для создания отпечатков из фотоотверждаемой смолы. Он был разработан в результате сотрудничества Калифорнийского университета в Беркли и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . [118] [119] [120] В отличие от других методов 3D-печати, он не строит модели путем нанесения слоев материала, как моделирование методом наплавления и стереолитография , вместо этого он создает объекты, используя серию 2D-изображений, проецируемых на цилиндр из смолы. [118] [120] Он примечателен своей способностью создавать объекты гораздо быстрее, чем другие методы с использованием смол, а также способностью встраивать объекты в отпечатки. [119]
Жидкостное аддитивное производство (LAM) — это метод 3D-печати, при котором жидкий материал или материал с высокой вязкостью (например, жидкий силиконовый каучук) наносится на поверхность сборки для создания объекта, который затем вулканизируется с использованием тепла для упрочнения объекта. [121] [122] [123] Первоначально этот процесс был создан Адрианом Бойером , а затем был развит немецкой компанией RepRap. [121] [124] [125]
Технология, называемая программируемыми инструментами, использует 3D-печать для создания временной формы, которая затем заполняется с помощью обычного процесса литья под давлением , а затем немедленно растворяется. [126]
В некоторых принтерах в качестве строительного материала можно использовать бумагу, что снижает стоимость печати. В 1990-х годах некоторые компании продавали принтеры, которые вырезали поперечные сечения бумаги со специальным клейким покрытием с помощью углекислотного лазера, а затем ламинировали их вместе.
В 2005 году компания Mcor Technologies Ltd разработала другой процесс, в котором использовались обычные листы офисной бумаги, лезвие из карбида вольфрама для вырезания формы, а также избирательное нанесение клея и давление для склеивания прототипа. [127]
При осаждении направленной энергией с подачей порошка (также известном как лазерное осаждение металла ) мощный лазер используется для плавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Лазерный луч обычно проходит через центр осаждающей головки и фокусируется на небольшом пятне одной или несколькими линзами. Сборка происходит на таблице XY , которая управляется траекторией инструмента, созданной на основе цифровой модели для изготовления объекта слой за слоем. Головка для осаждения перемещается вверх вертикально по мере завершения нанесения каждого слоя. В некоторых системах даже используются 5-осные [128] [129] или 6-осные системы [130] ( т.е. шарнирные рычаги ), способные доставлять материал на подложку (печатную платформу или уже существующую деталь [131] ). практически без ограничений пространственного доступа. Металлический порошок доставляется и распределяется по окружности головки или может быть разделен внутренним коллектором и доставлен через сопла, расположенные в различных конфигурациях вокруг осаждающей головки. Герметично закрытая камера, заполненная инертным газом или локальным инертным защитным газом (иногда и тем, и другим вместе), часто используется для защиты ванны расплава от атмосферного кислорода, ограничения окисления и лучшего контроля свойств материала. Процесс направленной энергии с подачей порошка аналогичен селективному лазерному спеканию, но металлический порошок выделяется только там, где материал добавляется в деталь в этот момент. Лазерный луч используется для нагрева и создания «ванны расплава» на подложке, в которую квазиодновременно вводится новый порошок. Этот процесс поддерживает широкий спектр материалов, включая титан, нержавеющую сталь, алюминий, вольфрам и другие специальные материалы, а также композиты и функционально классифицированные материалы. Этот процесс позволяет не только полностью создавать новые металлические детали, но также добавлять материал к существующим деталям, например, для нанесения покрытий, ремонта и гибридного производства. Лазерное формирование сетки (LENS), разработанное Sandia National Labs, является одним из примеров процесса осаждения направленной энергии с подачей порошка для 3D-печати или восстановления металлических деталей. [132] [133]
Лазерные системы подачи проволоки, такие как проволока для лазерного осаждения металла (LMD-w), подают проволоку через сопло, которое плавится лазером с использованием защиты инертным газом либо в открытой среде (газ, окружающий лазер), либо в герметичная камера. При изготовлении произвольной формы электронным лучом используется источник тепла электронного луча внутри вакуумной камеры.
Также можно использовать обычную газовую дуговую сварку, прикрепленную к 3D-сцене, для 3D-печати металлов, таких как сталь, бронза и алюминий. [134] [135] Недорогие 3D-принтеры в стиле RepRap с открытым исходным кодом были оснащены датчиками на базе Arduino и продемонстрировали приемлемые металлургические свойства при использовании обычной сварочной проволоки в качестве сырья. [136]
При селективном осаждении порошка наполнитель и опорный порошок избирательно осаждаются в тигель так, что наращиваемый порошок принимает форму желаемого объекта, а опорный порошок заполняет остальной объем тигля. Затем наносится наполнитель так, чтобы он контактировал с строительным порошком. Затем тигель обжигают в печи при температуре выше температуры плавления наполнителя, но ниже температуры плавления порошков. Когда наполнитель плавится, он впитывает строительный порошок. Но он не пропитывает опорный порошок, поскольку опорный порошок выбран таким, чтобы он не смачивался наполнителем. Если при температуре обжига атомы материала наполнителя и строительного порошка взаимно разгораются, как, например, в случае с медным порошком и наполнителем из цинка, то полученный материал будет представлять собой однородную смесь этих атомов, в данном случае бронзу. . Но если атомы не являются взаимно разряжаемыми, как в случае вольфрама и меди при 1100 °C, то полученный материал будет композитным. Чтобы предотвратить искажение формы, температура обжига должна быть ниже температуры солидуса получаемого сплава. [137]
Криогенная 3D-печать — это совокупность методов, позволяющих формировать твердые структуры путем замораживания жидких материалов во время их осаждения. При нанесении каждого жидкого слоя он охлаждается низкой температурой предыдущего слоя и среды печати, что приводит к затвердеванию. В отличие от других методов 3D-печати, криогенная 3D-печать требует контролируемой среды печати. Температура окружающей среды должна быть ниже точки замерзания материала, чтобы конструкция оставалась твердой во время производства, а влажность должна оставаться низкой, чтобы предотвратить образование инея между нанесением слоев. [138] Материалы обычно включают воду и растворы на водной основе, такие как рассол , суспензия и гидрогели . [139] [140] Методы криогенной 3D-печати включают быстрое замораживание прототипа (RFP), [139] производство низкотемпературным осаждением (LDM), [141] и изготовление экструзией в замороженной форме (FEF). [142]
3D-печать или аддитивное производство используются в производстве, медицине, промышленности и социально-культурном секторе (например, в области культурного наследия) для создания успешных коммерческих технологий. [143] Совсем недавно 3D-печать также стала использоваться в гуманитарном секторе и секторе развития для производства ряда медицинских изделий, протезов, запасных частей и ремонта. [144] Самое раннее применение аддитивного производства было на инструментальном конце производственного спектра. Например, быстрое прототипирование было одним из самых ранних аддитивных вариантов, и его задача заключалась в сокращении времени и стоимости разработки прототипов новых деталей и устройств, что раньше выполнялось только с помощью субтрактивных инструментальных методов, таких как фрезерование с ЧПУ, токарная обработка и обработка. прецизионное шлифование. [145] В 2010-е годы аддитивное производство вошло в производство в гораздо большей степени.
Развивается аддитивное производство продуктов питания путем сжатия продуктов питания слой за слоем в трехмерные объекты. Подходящими кандидатами являются самые разнообразные продукты, такие как шоколад и конфеты, а также простые продукты, такие как крекеры, макароны [146] и пицца. [147] [148] НАСА изучает технологию создания продуктов питания, напечатанных на 3D-принтере, с целью ограничения пищевых отходов и производства продуктов питания, отвечающих диетическим потребностям космонавтов. [149] В 2018 году итальянский биоинженер Джузеппе Сционти разработал технологию, позволяющую производить волокнистые аналоги мяса на растительной основе с использованием специального 3D-биопринтера , имитирующего текстуру и пищевую ценность мяса. [150] [151]
3D-печать вошла в мир одежды: модельеры экспериментируют с 3D-печатными бикини, обувью и платьями. [152] В коммерческом производстве компания Nike использовала 3D-печать для прототипирования и производства футбольных кроссовок Vapor Laser Talon 2012 года для игроков в американский футбол, а New Balance производит обувь для спортсменов, изготовленную по индивидуальному заказу в 3D. [152] [153] 3D-печать дошла до того, что компании печатают очки потребительского уровня с индивидуальной подгонкой и стилем по требованию (хотя они не могут печатать линзы). Возможна персонализация очков по требованию с помощью быстрого прототипирования. [154]
В легковых, грузовых автомобилях и самолетах аддитивное производство начинает трансформировать как проектирование и производство цельных кузовов и фюзеляжей , так и проектирование и производство силовых агрегатов . Например, General Electric использует высококачественные 3D-принтеры для изготовления деталей турбин . [155] Многие из этих систем используются для быстрого прототипирования перед применением методов массового производства. Другие известные примеры включают в себя:
Влияние AM на огнестрельное оружие включает в себя два аспекта: новые методы производства для существующих компаний и новые возможности для изготовления огнестрельного оружия своими руками . В 2012 году американская группа Defense Distributed раскрыла планы по разработке работающего пластикового огнестрельного оружия, напечатанного на 3D- принтере, «которое мог бы загрузить и воспроизвести любой, у кого есть 3D-принтер». [164] [165] После того, как компания Defense Distributed обнародовала свои планы, были подняты вопросы относительно влияния, которое 3D-печать и широко распространенная обработка с ЧПУ потребительского уровня [166] [167] могут оказать на эффективность контроля над огнестрельным оружием . [168] [169] [170] [171] Более того, стратегии проектирования доспехов можно усовершенствовать, черпая вдохновение из природы и легко создавая прототипы этих конструкций с использованием AM. [172]
Хирургическое использование методов лечения, ориентированных на 3D-печать, началось в середине 1990-х годов с анатомического моделирования для планирования костной реконструктивной хирургии. Имплантаты, подходящие пациенту, стали естественным продолжением этой работы, что привело к созданию по-настоящему персонализированных имплантатов, подходящих одному уникальному человеку. [173] Виртуальное планирование операции и руководство с использованием персонализированных инструментов, напечатанных на 3D-принтере, с большим успехом применяются во многих областях хирургии, включая тотальную замену суставов и черепно-челюстно-лицевую реконструкцию. [174] [175] Одним из примеров этого является биорезорбируемая трахиальная шина для лечения новорожденных с трахеобронхомаляцией [176], разработанная в Мичиганском университете. Использование аддитивного производства для серийного производства ортопедических имплантатов (металлов) также увеличивается благодаря возможности эффективно создавать пористые поверхностные структуры, способствующие остеоинтеграции . Ожидается, что индустрия слуховых аппаратов и стоматология станут крупнейшими областями будущего развития с использованием специальной технологии 3D-печати. [177]
3D-печать не ограничивается только неорганическими материалами; благодаря 3D-печати стал возможен ряд биомедицинских достижений. По состоянию на 2012 год технология [update]3D -биопечати изучалась биотехнологическими фирмами и научными кругами на предмет возможного использования в приложениях тканевой инженерии, в которых органы и части тела создаются с использованием методов струйной печати . В этом процессе слои живых клеток наносятся на гелевую среду или сахарную матрицу и медленно выстраиваются, образуя трехмерные структуры, включая сосудистые системы. [178] 3D-печать рассматривается как метод имплантации стволовых клеток , способных создавать новые ткани и органы у живых людей. [179] В 2018 году технология 3D-печати была впервые использована для создания матрицы для иммобилизации клеток при ферментации. В качестве модельного исследования было выбрано производство пропионовой кислоты Propionibacterium acidipropionici, иммобилизованной на нейлоновых шариках, напечатанных на 3D-принтере. Было показано, что эти напечатанные на 3D-принтере шарики способны способствовать прикреплению клеток высокой плотности и выработке пропионовой кислоты, что можно адаптировать к другим биопроцессам ферментации. [180]
3D-печать также используется исследователями в области фармацевтики. В течение последних нескольких лет наблюдается всплеск академического интереса к доставке лекарств с помощью методов АМ. Эта технология предлагает уникальный способ использования материалов в новых рецептурах. [181] Производство АМ позволяет использовать материалы и соединения при разработке рецептур способами, которые невозможны при использовании обычных/традиционных методов в фармацевтической области, например, таблетирование, литье и т. д. Более того, один из основных Преимущества 3D-печати, особенно в случае моделирования методом наплавления (FDM), заключаются в персонализации лекарственной формы, которая может быть достигнута, таким образом, ориентируясь на конкретные потребности пациента. [182] Ожидается, что в не столь отдаленном будущем 3D-принтеры появятся в больницах и аптеках, чтобы обеспечить производство персонализированных рецептур в соответствии с потребностями пациентов по требованию. [183]
3D-печать также используется для медицинского оборудования. Во время пандемии COVID-19 3D-принтеры использовались в качестве дополнения к дефицитным запасам СИЗ за счет того, что волонтеры использовали свои личные принтеры для производства различных средств индивидуальной защиты (например, рамок для защитных масок).
3D-печать и 3D-принтеры с открытым исходным кодом, в частности, являются новейшими технологиями, проникающими в классную комнату. [184] [185] [186] Высшее образование оказалось основным покупателем настольных и профессиональных 3D-принтеров, что эксперты отрасли в целом рассматривают как положительный показатель. [187] Некоторые авторы утверждают, что 3D-принтеры предлагают беспрецедентную «революцию» в STEM- образовании. [188] [189] Доказательством таких утверждений является как низкая стоимость способности студентов быстро создавать прототипы в классе, так и изготовление недорогого высококачественного научного оборудования на основе открытых аппаратных разработок, образующих лаборатории с открытым исходным кодом. . [190] Кроме того, библиотеки по всему миру также стали местами размещения небольших 3D-принтеров для образовательных и общественных целей. [191] Будущие применения 3D-печати могут включать создание научного оборудования с открытым исходным кодом. [190] [192]
В 2010-х годах 3D-печать стала интенсивно использоваться в сфере культурного наследия в целях его сохранения, реставрации и распространения. [193] Многие европейские и североамериканские музеи приобрели 3D-принтеры и активно воссоздают недостающие части своих реликвий [194] и археологических памятников, таких как Тиуанако в Боливии . [195] Метрополитен -музей и Британский музей начали использовать свои 3D-принтеры для создания музейных сувениров, которые можно приобрести в музейных магазинах. [196] Другие музеи, такие как Национальный музей военной истории и Исторический музей Варны, пошли еще дальше и продают через онлайн-платформу Threeding цифровые модели своих артефактов, созданные с помощью 3D- сканеров Artec, в формате, удобном для 3D-печати, который может получить каждый. 3D печать дома. [197]
Применение 3D-печати для изображения архитектурных объектов сопряжено со многими проблемами. В 2018 году структура Национального банка Ирана традиционно была исследована и смоделирована в программном обеспечении компьютерной графики (в частности, Cinema4D ) и оптимизирована для 3D-печати. Команда протестировала методику изготовления детали, и она прошла успешно. После тестирования процедуры моделисты реконструировали конструкцию в Cinema4D и экспортировали переднюю часть модели в Netfabb. Выбор входа в здание был обусловлен ограничениями 3D-печати и бюджетом проекта изготовления макета. 3D-печать была лишь одной из возможностей созданной 3D-модели банка, но из-за ограниченного объема проекта команда не продолжила моделирование виртуального представления или других приложений. [198] В 2021 г. Парсинежад и др. всесторонне сравнили метод ручной съемки для 3D-реконструкции, готовой к 3D-печати, с цифровой записью (принятие метода фотограмметрии). [198]
Мягкие приводы , напечатанные на 3D- принтере, — это растущее применение технологии 3D-печати, нашедшее свое место в приложениях 3D-печати. Эти мягкие приводы разрабатываются для работы с мягкими структурами и органами, особенно в биомедицинских секторах, где взаимодействие между людьми и роботами неизбежно. Большинство существующих мягких приводов изготавливаются традиционными методами, которые требуют ручного изготовления устройств, последующей обработки/сборки и длительных итераций до достижения зрелости изготовления. Вместо утомительных и трудоемких аспектов текущих процессов изготовления исследователи изучают подходящий производственный подход для эффективного изготовления мягких приводов. Таким образом, мягкие приводы, напечатанные на 3D-принтере, произвели революцию в проектировании и производстве мягких приводов с индивидуальными геометрическими, функциональными и управляющими свойствами, используя более быстрый и недорогой подход. Они также позволяют объединить все компоненты привода в единую конструкцию, устраняя необходимость использования внешних соединений , клеев и крепежных элементов .
Производство печатных плат включает в себя несколько этапов, включая визуализацию, сверление, гальваническое покрытие, покрытие паяльной маской, печать номенклатуры и обработку поверхности. Эти шаги включают в себя множество химикатов, таких как агрессивные растворители и кислоты. Печатные платы для 3D-печати устраняют необходимость во многих из этих шагов, при этом создавая сложные конструкции. [199] Полимерные чернила используются для создания слоев конструкции, а серебряный полимер используется для создания следов и отверстий, используемых для пропускания электричества. [200] Производство печатных плат в настоящее время может оказаться утомительным процессом в зависимости от конструкции. Указанные материалы собираются и отправляются на обработку внутреннего слоя, где изображения печатаются, проявляются и гравируются. Сердечники травления обычно перфорируются для добавления инструментов для ламинирования. Затем сердцевины подготавливаются к ламинированию. Стек, сборка печатной платы, собирается и отправляется на ламинирование, где слои соединяются. Затем доски измеряются и сверлятся. Многие этапы могут отличаться от этого этапа, однако в простых конструкциях материал подвергается гальваническому покрытию для покрытия отверстий и поверхности. Затем внешнее изображение печатается, проявляется и гравируется. После определения изображения материал необходимо покрыть паяльной маской для последующей пайки. Затем добавляется номенклатура, чтобы компоненты можно было идентифицировать позже. Затем добавляется финишная обработка поверхности. Платы выводятся из панели в единую форму или в виде массива, а затем подвергаются электрическим испытаниям. Помимо оформления документов, подтверждающих соответствие плат спецификациям, платы затем упаковываются и отправляются. Преимущества 3D-печати заключаются в том, что окончательный контур определяется с самого начала, не требуется визуализация, штамповка или ламинирование, а электрические соединения выполняются с помощью серебряного полимера, что исключает сверление и покрытие. Окончательная документация также будет значительно сокращена из-за отсутствия материалов, необходимых для изготовления печатной платы. Сложные конструкции, выполнение которых при обычной обработке может занять несколько недель, можно распечатать на 3D-принтере, что значительно сокращает время производства.
В 2005 году академические журналы начали сообщать о возможных художественных применениях технологии 3D-печати. [201] Готовые машины становились все более способными производить практические предметы домашнего обихода, например, декоративные предметы. Некоторые практические примеры включают , среди прочего, рабочие часы [202] и шестерни , напечатанные для домашних деревообрабатывающих станков. [203] Веб-сайты, связанные с домашней 3D-печатью, как правило, включают в себя чесалки для спины, крючки для одежды, дверные ручки и т. д. [204] По состоянию на 2017 год домашняя 3D-печать стала охватывать потребительскую аудиторию, выходящую за рамки любителей и энтузиастов. Несколько проектов и компаний прилагают усилия для разработки доступных 3D-принтеров для домашнего использования. Большая часть этой работы была инициирована и ориентирована на сообщества DIY / создателей /энтузиастов/ первопроходцев , с дополнительными связями с академическими и хакерскими сообществами.
Благодаря снижению цен и повышению качества, по [update]оценкам, по состоянию на 2019 год около 2 миллионов человек во всем мире приобрели 3D-принтер для хобби. [205]
3D-печать десятилетиями существовала в определенных отраслях обрабатывающей промышленности, где могут применяться многие правовые режимы, включая патенты , права на промышленные образцы , авторские права и товарные знаки . Тем не менее, не так уж много судебной практики , чтобы сказать, как эти законы будут применяться, если 3D-принтеры станут массовым явлением и отдельные лица или сообщества любителей начнут производить предметы для личного использования, для некоммерческого распространения или для продажи.
Любой из упомянутых правовых режимов может запрещать распространение образцов, используемых в 3D-печати, а также распространение или продажу напечатанной продукции. Чтобы получить разрешение на подобные действия, связанные с активной интеллектуальной собственностью, человеку придется связаться с владельцем и попросить лицензию, которая может иметь определенные условия и цену. Однако многие законы о патентах, образцах и авторском праве содержат стандартные ограничения или исключения для «частного» или «некоммерческого» использования изобретений, образцов или произведений искусства, охраняемых интеллектуальной собственностью (ИС). Это стандартное ограничение или исключение может оставить такое частное некоммерческое использование вне сферы действия прав ИС.
Патенты охватывают изобретения, включая процессы, машины, производство и составы веществ, и имеют ограниченный срок действия, который варьируется в зависимости от страны, но обычно составляет 20 лет с даты подачи заявки. Следовательно, если тип колеса запатентован, печать, использование или продажа такого колеса может быть нарушением патента. [206]
Авторское право распространяется на выражение [207] на материальном, фиксированном носителе и часто действует в течение всей жизни автора плюс 70 лет после этого. [208] Например, скульптор сохраняет авторские права на статую, так что другие люди не могут затем на законных основаниях распространять проекты для печати идентичной или аналогичной статуи без уплаты гонораров, ожидания истечения срока действия авторских прав или работы в рамках исключения о добросовестном использовании .
Когда функция имеет как художественные (охраняемые авторским правом), так и функциональные (патентуемые) достоинства, когда вопрос возник в суде США, суды часто считали, что эта функция не защищена авторским правом, если ее нельзя отделить от функциональных аспектов объекта. [208] В других странах законодательство и суды могут применять иной подход, позволяющий, например, зарегистрировать конструкцию полезного устройства (в целом) в качестве промышленного образца при том понимании, что в случае несанкционированного копирования только нефункциональные характеристики могут быть заявлены в соответствии с законодательством о промышленных образцах, тогда как любые технические характеристики могут быть заявлены только в том случае, если они защищены действующим патентом.
Министерство внутренней безопасности США и Объединенный региональный разведывательный центр опубликовали меморандум, в котором говорится, что «значительный прогресс в возможностях трехмерной (3D) печати, доступность бесплатных файлов для цифровой 3D-печати компонентов огнестрельного оружия и трудности в регулировании обмена файлами могут представлять общественную безопасность». риски со стороны неквалифицированных искателей оружия, которые приобретают или производят 3D-печатное оружие» и что «предлагаемый закон о запрете 3D-печати оружия может сдержать, но не может полностью предотвратить его производство. Даже если эта практика запрещена новым законодательством, онлайн-распространение этих 3D-печатных материалов файлы будет так же сложно контролировать, как и любые другие незаконно продаваемые файлы музыки, фильмов или программного обеспечения». [209]
Попытку ограничить распространение планов оружия через Интернет сравнивали с тщетностью предотвращения широкого распространения DeCSS , который позволял копировать DVD . [210] [211] [212] [213] После того, как правительство США потребовало от Defense Distributed отменить эти планы, они все еще были широко доступны через Pirate Bay и другие сайты обмена файлами. [214] Планы были загружены из Великобритании, Германии, Испании и Бразилии. [215] [216] Некоторые законодатели США предложили правила в отношении 3D-принтеров, чтобы предотвратить их использование для печати оружия. [217] [218] Сторонники 3D-печати предполагают, что такие правила будут бесполезны, могут нанести вред индустрии 3D-печати и нарушить права на свободу слова, а пионеры 3D-печати, профессор Ход Липсон, предположили , что вместо этого можно контролировать порох. [219] [220] [221 ] [ 222] [223] [224]
На международном уровне, где контроль над огнестрельным оружием, как правило, более строгий, чем в Соединенных Штатах, некоторые комментаторы говорят, что влияние может быть более ощутимым, поскольку альтернативное огнестрельное оружие не так легко достать. [225] Официальные лица Великобритании отметили, что производство оружия, напечатанного на 3D-принтере, было бы незаконным в соответствии с их законами о контроле над оружием. [226] Европол заявил, что преступники имеют доступ к другим источникам оружия, но отметил, что по мере совершенствования технологий риски последствий будут возрастать. [227] [228]
В США ФАУ предвидело желание использовать технологии аддитивного производства и рассматривало, как лучше всего регулировать этот процесс. [229] ФАУ обладает юрисдикцией в отношении такого производства, поскольку все детали самолета должны производиться в соответствии с разрешением на производство ФАУ или в соответствии с другими нормативными категориями ФАУ. [230] В декабре 2016 года ФАУ одобрило производство топливной форсунки, напечатанной на 3D-принтере, для двигателя GE LEAP. [231] Авиационный адвокат Джейсон Дикштейн предположил, что аддитивное производство — это всего лишь метод производства, и его следует регулировать, как и любой другой метод производства. [232] [233] Он предположил, что ФАУ должно сосредоточиться на рекомендациях по разъяснению соответствия, а не на изменении существующих правил, и что существующие правила и руководства позволяют компании «разработать надежную систему качества, которая адекватно отражает нормативные потребности». для обеспечения качества». [232]
Исследования по проблемам здоровья и безопасности, связанным с 3D-печатью, являются новыми и находятся в стадии разработки в связи с недавним распространением устройств 3D-печати. В 2017 году Европейское агентство по безопасности и гигиене труда опубликовало дискуссионный документ о процессах и материалах, используемых в 3D-печати, потенциальных последствиях этой технологии для безопасности и гигиены труда, а также способах контроля потенциальных опасностей. [234]
Уровень шума измеряется в децибелах (дБ) и может сильно варьироваться в домашних принтерах от 15 дБ до 75 дБ. [235] Некоторыми основными источниками шума в принтерах накаливания являются вентиляторы, двигатели и подшипники, тогда как в принтерах на основе смолы большую часть шума обычно создают вентиляторы. [235] Некоторые методы снижения шума принтера могут включать установку виброизоляции , использование вентиляторов большего диаметра , регулярное техническое обслуживание и смазку или использование звукоизолирующего кожуха. [235]
Аддитивное производство, начиная с сегодняшнего периода зарождения, требует от производственных фирм быть гибкими, постоянно совершенствующимися пользователями всех доступных технологий, чтобы оставаться конкурентоспособными. Сторонники аддитивного производства также прогнозируют, что эта линия технологического развития будет противостоять глобализации , поскольку конечные пользователи будут заниматься большей частью собственного производства, а не заниматься торговлей, чтобы покупать продукцию у других людей и корпораций. [15] Однако реальная интеграция новых аддитивных технологий в коммерческое производство — это скорее вопрос дополнения традиционных субтрактивных методов, а не их полной замены. [236]
Футуролог Джереми Рифкин [237] утверждал, что 3D-печать сигнализирует о начале третьей промышленной революции , [238] пришедшей на смену конвейерной сборке, которая доминировала в производстве , начиная с конца 19-го века.
С 1950-х годов ряд писателей и социальных обозревателей довольно глубоко размышляли о социальных и культурных изменениях, которые могут возникнуть в результате появления коммерчески доступных технологий аддитивного производства. [239] В последние годы 3D-печать оказала значительное влияние на гуманитарный сектор и сектор развития. Его потенциал по облегчению распределенного производства приводит к улучшению цепочки поставок и логистики за счет снижения потребности в транспортировке, складировании и потерях. Кроме того, социально-экономическое развитие продвигается за счет создания местной производственной экономики. [144]
Другие предполагают, что по мере того, как все больше и больше 3D-принтеров начнут проникать в дома людей, традиционные отношения между домом и рабочим местом могут еще больше разрушиться. [240] Аналогичным образом, было высказано предположение, что, поскольку предприятиям становится легче передавать проекты новых объектов по всему миру, потребность в высокоскоростных грузовых услугах также может стать меньше. [241] Наконец, учитывая легкость, с которой теперь могут быть воспроизведены некоторые объекты, еще неизвестно, будут ли внесены изменения в действующее законодательство об авторском праве, чтобы защитить права интеллектуальной собственности с помощью широко доступной новой технологии.
Поскольку 3D-принтеры стали более доступными для потребителей, появились социальные онлайн-платформы для поддержки сообщества. [242] Сюда входят веб-сайты, которые позволяют пользователям получать доступ к такой информации, как сборка 3D-принтера, а также социальные форумы, на которых обсуждаются вопросы улучшения качества 3D-печати и новости 3D-печати, а также веб-сайты социальных сетей, посвященные обмен 3D-моделями. [243] [244] [245] RepRap — это вики-сайт, созданный для хранения всей информации о 3D-печати и превратившийся в сообщество, целью которого является сделать 3D-печать доступной каждому. Кроме того, существуют и другие сайты, такие как Pinshape , Thingiverse и MyMiniFactory , которые изначально были созданы, чтобы позволить пользователям публиковать 3D-файлы для печати, что позволяет снизить транзакционные издержки при обмене 3D-файлами. Эти веб-сайты позволили расширить социальное взаимодействие между пользователями, создав сообщества, посвященные 3D-печати.
Некоторые обращают внимание на сочетание равноправного производства на основе общественных ресурсов с 3D-печатью и другими недорогими технологиями производства. [246] [247] [248] Самоподкрепляющаяся фантазия о системе вечного роста может быть преодолена с развитием масштабной экономики, и здесь общество может сыграть важную роль, способствуя повышению всей производственной структуры до уровня более высокий уровень более устойчивой и индивидуальной производительности. [246] Кроме того, верно, что многие вопросы, проблемы и угрозы возникают из-за демократизации средств производства, особенно физических. [246] Например, возможность вторичной переработки современных наноматериалов все еще подвергается сомнению; производство оружия может стать проще; не говоря уже о последствиях для контрафакции [249] и интеллектуальной собственности. [250] Можно утверждать, что в отличие от индустриальной парадигмы, чья конкурентная динамика была связана с экономией за счет масштаба, 3D-печать на основе совместного производства могла бы обеспечить экономию за счет масштаба. В то время как преимущества масштаба основаны на дешевой глобальной транспортировке, экономика масштаба разделяет затраты на инфраструктуру (нематериальные и материальные производственные ресурсы), используя возможности производственных инструментов. [246] И, следуя Нилу Гершенфельду [251] в том, что «некоторые из наименее развитых частей мира нуждаются в некоторых из самых передовых технологий», равноправное производство на основе общего доступа и 3D-печать могут предложить необходимые инструменты для того, чтобы мыслить глобально, но действовать локально. в ответ на определенные потребности.
Ларри Саммерс писал о «разрушительных последствиях» 3D-печати и других технологий (роботов, искусственного интеллекта и т. д.) для тех, кто выполняет рутинные задачи. По его мнению, «уже сейчас больше американских мужчин, получающих страхование по инвалидности, чем работающих на производстве. И все тенденции идут в неправильном направлении, особенно для менее квалифицированных специалистов, поскольку способность капитала, воплощающего искусственный интеллект, заменить белых воротничков» а также объем работы «синих воротничков» в ближайшие годы будет быстро расти». Саммерс рекомендует более активные совместные усилия по устранению «множества механизмов» (например, налоговых убежищ, банковской тайны, отмывания денег и регулятивного арбитража), позволяющих владельцам больших богатств «платить» подоходные налоги и налоги на наследство, а также сделать их более эффективными. трудно накопить большие состояния, не требуя взамен «больших социальных взносов», в том числе: более энергичное соблюдение антимонопольного законодательства, сокращение «чрезмерной» защиты интеллектуальной собственности, большее поощрение схем распределения прибыли, которые могут принести пользу работникам и дать им заинтересованность в накоплении богатства, укрепление договоренностей о коллективных переговорах, улучшение корпоративного управления, усиление финансового регулирования для устранения субсидий на финансовую деятельность, ослабление ограничений на землепользование, которые могут привести к дальнейшему росту стоимости недвижимости богатых, улучшение обучение молодежи и переподготовка уволенных работников, а также увеличение государственных и частных инвестиций в развитие инфраструктуры, например, в производстве энергии и транспортировке. [252]
Майкл Спенс писал: «Сейчас наступает... мощная волна цифровых технологий, которая заменяет рабочую силу во все более сложных задачах. Этот процесс замещения рабочей силы и устранения посредничества уже некоторое время идет в секторах услуг - вспомните банкоматы, онлайн-банкинг, планирование ресурсов предприятия, управление взаимоотношениями с клиентами, системы мобильных платежей и многое другое. Эта революция распространяется и на производство товаров, где роботы и 3D-печать вытесняют рабочую силу». По его мнению, подавляющее большинство затрат на цифровые технологии приходится на начало разработки оборудования (например, 3D-принтеров) и, что более важно, на создание программного обеспечения, которое позволяет машинам выполнять различные задачи. «Как только это будет достигнуто, предельные затраты на аппаратное обеспечение станут относительно низкими (и уменьшатся по мере увеличения масштаба), а предельные затраты на тиражирование программного обеспечения практически равны нулю. Имея огромный потенциал глобального рынка для амортизации первоначальных фиксированных затрат на проектирование и тестирования, стимулы для инвестиций [в цифровые технологии] убедительны». [253]
Спенс считает, что, в отличие от прежних цифровых технологий, которые заставляли фирмы использовать недостаточно используемые резервы ценной рабочей силы по всему миру, движущей силой нынешней волны цифровых технологий «является снижение затрат за счет замены рабочей силы». Например, по мере снижения стоимости технологии 3D-печати «легко представить», что производство может стать «чрезвычайно» локальным и индивидуализированным. Более того, производство может осуществляться в ответ на фактический спрос, а не на ожидаемый или прогнозируемый спрос. Спенс считает, что рабочая сила, какой бы дешевой она ни была, станет менее важным активом для роста и расширения занятости, а трудоемкое, процессно-ориентированное производство станет менее эффективным, и что релокализация произойдет как в развитых, так и в развивающихся странах. По его мнению, производство не исчезнет, но оно станет менее трудоемким, и всем странам в конечном итоге придется перестроить свои модели роста вокруг цифровых технологий и человеческого капитала, поддерживающего их внедрение и расширение. Спенс пишет, что «мир, в который мы вступаем, — это мир, в котором самыми мощными глобальными потоками будут идеи и цифровой капитал, а не товары, услуги и традиционный капитал. Адаптация к этому потребует изменений в мышлении, политике, инвестициях (особенно в человеческий капитал). капитал) и, вполне возможно, модели занятости и распределения». [253]
Наоми Ву считает использование 3D-печати в классах китайского языка (где стандартным является механическое запоминание) для обучения принципам дизайна и творчеству как самое захватывающее недавнее развитие технологии и в более общем плане считает 3D-печать следующей революцией в настольных издательских системах . [254]
Рост аддитивного производства может оказать большое влияние на окружающую среду. Например, в отличие от традиционного производства, при котором детали вырезаются из более крупных блоков материала, аддитивное производство создает продукты слой за слоем и печатает только соответствующие детали, тратя гораздо меньше материала и, следовательно, тратя меньше энергии на производство необходимого сырья. . [255] Создавая только самые необходимые структурные элементы продуктов, аддитивное производство также может внести глубокий вклад в облегчение , снижение энергопотребления и выбросов парниковых газов транспортными средствами и другими видами транспорта. [256] Например, исследование компонента самолета, изготовленного с использованием аддитивного производства, показало, что использование компонента экономит 63% соответствующей энергии и выбросов углекислого газа в течение срока службы продукта. [257] Кроме того, предыдущая оценка жизненного цикла аддитивного производства показала, что внедрение этой технологии может еще больше снизить выбросы углекислого газа, поскольку 3D-печать создает локализованное производство, и продукты не нужно будет транспортировать на большие расстояния, чтобы добраться до конечного пункта назначения. [258]
Однако дальнейшее внедрение аддитивного производства имеет некоторые негативные последствия для окружающей среды. Несмотря на то, что аддитивное производство сокращает количество отходов в процессе субтрактивного производства до 90%, процесс аддитивного производства создает другие формы отходов, такие как неперерабатываемые материалы (металлические порошки). Аддитивное производство еще не достигло своего теоретического потенциала эффективности использования материалов в 97%, но оно может приблизиться к нему, поскольку технология продолжает повышать производительность. [259]
Некоторые крупные FDM-принтеры, плавящие гранулы полиэтилена высокой плотности (HDPE), также могут принимать достаточно чистые переработанные материалы, такие как измельченные молочные бутылки. Кроме того, эти принтеры могут использовать измельченный материал, полученный в результате дефектных сборок или неудачных версий прототипа, что снижает общие потери проекта, а также транспортировку и хранение материалов. Эта концепция была исследована в RecycleBot .
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Данные из Викиданных