3D-печать или аддитивное производство — это создание трехмерного объекта с помощью модели САПР или цифровой 3D-модели . [1] [2] [3] Это может быть сделано с помощью различных процессов, в которых материал наносится, соединяется или затвердевает под управлением компьютера , [4] при этом материалы добавляются вместе (например, пластик, жидкости или порошковые зерна сплавляются), как правило, слой за слоем.
В 1980-х годах считалось, что методы 3D-печати подходят только для производства функциональных или эстетических прототипов, и более подходящим термином для него в то время было быстрое прототипирование . [5] По состоянию на 2019 год [update]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 может использоваться как синоним 3D-печати . [6] Одним из ключевых преимуществ 3D-печати [7] является возможность производить очень сложные формы или геометрии, которые в противном случае было бы невозможно построить вручную, включая полые детали или детали с внутренними ферменными конструкциями для снижения веса при создании меньшего количества отходов материала. Моделирование методом послойного наплавления (FDM), которое использует непрерывную нить термопластичного материала, является наиболее распространенным процессом 3D-печати, используемым по состоянию на 2020 год [update]. [8]
Зонтичный термин аддитивное производство (AM) приобрел популярность в 2000-х годах [9], вдохновленный темой добавления материалов ( любым из различных способов ). Напротив, термин субтрактивное производство появился как ретроним для большого семейства процессов обработки , в которых удаление материала было их общим процессом. Термин 3D-печать по-прежнему относился только к полимерным технологиям в большинстве умов, а термин AM чаще использовался в контексте металлообработки и производства конечных деталей, чем среди энтузиастов полимерной, струйной или стереолитографии.
К началу 2010-х годов термины 3D-печать и аддитивное производство приобрели смыслы , в которых они стали альтернативными зонтичными терминами для аддитивных технологий, один из которых использовался в популярном языке сообществами производителей-потребителей и средствами массовой информации, а другой использовался более формально промышленными производителями конечных деталей, производителями машин и глобальными организациями по техническим стандартам. До недавнего времени термин 3D-печать ассоциировался с машинами с низкой ценой или возможностями. [10] 3D-печать и аддитивное производство отражают то, что технологии разделяют тему добавления или соединения материалов в трехмерной рабочей зоне под автоматизированным управлением. Питер Зелински, главный редактор журнала Additive Manufacturing , указал в 2017 году, что эти термины по-прежнему часто являются синонимами в повседневном использовании, [11] но некоторые эксперты в обрабатывающей промышленности пытаются провести различие, согласно которому аддитивное производство включает 3D-печать плюс другие технологии или другие аспекты производственного процесса . [11]
Другие термины, которые использовались в качестве синонимов или гипернимов, 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-смысле печати ). Тот факт, что применение прилагательных « быстрый» и «по требованию» к существительному «производство» было новым в 2000-х годах, показывает давно преобладающую ментальную модель предыдущей индустриальной эпохи, в течение которой почти все производственное производство включало длительные сроки выполнения для трудоемкой разработки оснастки. Сегодня термин «субтрактивный» не заменил термин «обработка» , а вместо этого дополнил его, когда требуется термин, который охватывает любой метод удаления. Гибкая оснастка — это использование модульных средств для проектирования оснастки, которая производится методами аддитивного производства или 3D-печати, чтобы обеспечить быстрое прототипирование и реагирование на потребности в оснастке и приспособлениях. Agile Tooling использует экономически эффективный и высококачественный метод для быстрого реагирования на потребности клиентов и рынка и может использоваться в гидроформовке , штамповке , литье под давлением и других производственных процессах.
Общая концепция и процедура, используемые в 3D-печати, были впервые описаны Мюрреем Лейнстером в его рассказе 1945 года «Вещи проходят мимо»: «Но этот конструктор и эффективен, и гибок. Я загружаю магнетронный пластик — материал, из которого сейчас строят дома и корабли — в эту движущуюся руку. Она рисует в воздухе, следуя рисункам, которые сканирует фотоэлементами. Но пластик выходит из конца руки и затвердевает по мере поступления... только следуя рисункам» [12]
Его также описал Рэймонд Ф. Джонс в своем рассказе «Инструменты торговли», опубликованном в журнале Astounding Science Fiction в ноябре 1950 года . В этом рассказе он назвал его «молекулярным спреем».
В 1971 году Йоханнес Ф. Готвальд запатентовал Liquid Metal Recorder, патент США 3596285A, [13] устройство непрерывной струйной печати из металлического материала для формирования съемной металлической конструкции на повторно используемой поверхности для немедленного использования или повторной печати путем переплавки. Это, по-видимому, первый патент, описывающий 3D-печать с быстрым прототипированием и контролируемым изготовлением шаблонов по требованию.
В патенте указано:
В настоящем документе термин «печать» не подразумевается в ограниченном смысле, а включает в себя написание или другие символы, знаки или формирование узоров чернилами. Термин «чернила» в настоящем документе подразумевает включение не только материалов, содержащих краситель или пигмент, но и любых текучих веществ или составов, подходящих для нанесения на поверхность для формирования символов, знаков или узоров интеллекта путем маркировки. Предпочтительными чернилами являются чернила горячего расплава. Ассортимент имеющихся в продаже составов чернил, которые могли бы соответствовать требованиям изобретения, в настоящее время неизвестен. Однако удовлетворительная печать в соответствии с изобретением была достигнута с использованием проводящего металлического сплава в качестве чернил.
Однако с точки зрения материальных потребностей для таких больших и непрерывных дисплеев, если они будут потребляться в ранее известных темпах, но увеличиваться пропорционально увеличению размера, высокая стоимость серьезно ограничит любое широкое распространение процесса или устройства, удовлетворяющего вышеупомянутым целям.
Поэтому дополнительной целью изобретения является минимизация использования материалов в процессе указанного класса.
Еще одной целью изобретения является возможность повторного использования материалов, используемых в таком процессе.
Согласно другому аспекту изобретения, комбинация для письма и т.п. содержит носитель для отображения интеллектуального рисунка и приспособление для удаления рисунка с носителя.
В 1974 году Дэвид Э. Х. Джонс изложил концепцию 3D-печати в своей постоянной колонке «Ариадна» в журнале New Scientist . [14] [15]
Первые материалы и оборудование для аддитивного производства были разработаны в 1980-х годах. [16]
В апреле 1980 года Хидео Кодама из Нагойского муниципального промышленного научно-исследовательского института изобрел два аддитивных метода изготовления трехмерных пластиковых моделей с фотоотверждаемым термореактивным полимером , где область воздействия УФ-излучения контролируется шаблоном маски или сканирующим волоконным передатчиком. [17] Он подал заявку на патент на этот плоттер XYZ, которая была опубликована 10 ноября 1981 года. (JP S56-144478). [18] Результаты его исследований в виде журнальных статей были опубликованы в апреле и ноябре 1981 года. [19] [20] Однако никакой реакции на серию его публикаций не последовало. Его устройство не получило высокой оценки в лаборатории, а его начальник не проявил никакого интереса. Его исследовательский бюджет составлял всего 60 000 иен или 545 долларов в год. Приобретение патентных прав на плоттер XYZ было прекращено, и проект был прекращен.
Патент США 4323756 на метод изготовления изделий методом последовательного осаждения , выданный 6 апреля 1982 года компании Raytheon Technologies Corp., описывает использование сотен или тысяч «слоев» порошкообразного 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 заявку на патент на свой автоматизированный компьютерный производственный процесс и систему (US 4665492). [21] 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. [22] [23]
16 июля 1984 года Ален Ле Меоте , Оливье де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на патент на процесс стереолитографии . [24] Заявка французских изобретателей была отклонена французской компанией General Electric (теперь Alcatel-Alsthom) и CILAS (The Laser Consortium). [25] Заявленной причиной было «отсутствие деловой перспективы». [26]
В 1983 году Роберт Говард основал RH Research, позже названную Howtek, Inc. в феврале 1984 года, для разработки цветного струйного 2D-принтера Pixelmaster, выпущенного на рынок в 1986 году, с использованием термопластичных (горячеплавких) пластиковых чернил. [27] Была сформирована команда, 6 членов [27] из Exxon Office Systems, Danbury Systems Division, стартапа по производству струйных принтеров, и несколько членов группы Howtek, Inc, которые стали популярными фигурами в индустрии 3D-печати. Один из членов Howtek, Ричард Хелински (патент US5136515A, Метод и средства для построения трехмерных изделий путем осаждения частиц, заявка 11/07/1989, выданная 8/04/1992), основал компанию в Нью-Гемпшире CAD-Cast, Inc, название которой было позже изменено на Visual Impact Corporation (VIC) 8/22/1991. Прототип 3D-принтера VIC для этой компании доступен с видеопрезентацией, демонстрирующей 3D-модель, напечатанную с помощью односоплового струйного принтера. Другой сотрудник Герберт Менхеннетт основал компанию HM Research в Нью-Гемпшире в 1991 году и представил технологию струйной печати Howtek, Inc и термопластичные материалы Ройдену Сандерсу из SDI и Биллу Мастерсу из Ballistic Particle Manufacturing (BPM), где он проработал несколько лет. Оба принтера BPM 3D и SPI 3D используют струйные принтеры Howtek, Inc и материалы Howtek, Inc. Royden Sanders лицензировал патент Helinksi до производства Modelmaker 6 Pro в Sanders prototype, Inc (SPI) в 1993 году. Джеймс К. Макмахон, нанятый Howtek, Inc для помощи в разработке струйного принтера, позже работал в Sanders Prototype и сейчас управляет Layer Grown Model Technology, поставщиком 3D-услуг, специализирующимся на односопловых струйных принтерах Howtek и поддержке SDI-принтеров. Джеймс К. Макмахон работал со Стивеном Золтаном, изобретателем струйных принтеров drop-on-demand 1972 года, в Exxon и получил патент в 1978 году, который расширил понимание струйных принтеров с одним соплом (Alpha jets) и помог усовершенствовать струйные принтеры Howtek, Inc. Эта технология термопластика Howtek с горячим расплавом популярна в литье по выплавляемым моделям, особенно в ювелирной промышленности с 3D-печатью. [28] Первым заказчиком Modelmaker 6Pro компании Sanders (SDI) была компания Hitchner Corporations, Metal Casting Technology, Inc. в Милфорде, штат Нью-Гэмпшир, в миле от завода SDI, которая в конце 1993-1995 гг. отливала клюшки для гольфа и детали автомобильных двигателей.
8 августа 1984 года был подан патент US4575330, переданный UVP, Inc., позже переданный Чаку Халлу из 3D Systems Corporation [29] , его собственный патент на систему изготовления стереолитографии , в которой отдельные пластины или слои добавляются путем отверждения фотополимеров с помощью падающего излучения, бомбардировки частицами, химической реакции или просто ультрафиолетовых лазеров . Халл определил процесс как «систему для создания трехмерных объектов путем создания поперечного сечения объекта, который должен быть сформирован». [30] [31] Вклад Халла заключался в формат файла STL (стереолитография) и стратегии цифровой нарезки и заполнения, общие для многих современных процессов. 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 [32] позднее, в 1987 или 1988 году.
Технология, используемая большинством 3D-принтеров на сегодняшний день, особенно в любительских и потребительских моделях, представляет собой моделирование методом послойного наплавления , особый метод экструзии пластика , разработанный в 1988 году С. Скоттом Крампом и выведенный на рынок его компанией Stratasys , которая выпустила на рынок свою первую машину FDM в 1992 году. [28]
В 1980-х годах владение 3D-принтером стоило более 300 000 долларов (650 000 долларов в ценах 2016 года). [33]
Процессы AM для спекания или плавления металла (такие как селективное лазерное спекание , прямое лазерное спекание металла и селективное лазерное плавление) обычно носили свои собственные индивидуальные названия в 1980-х и 1990-х годах. 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 автоматизации (например, роботизированная сварка и ЧПУ ), идея инструмента или головки, движущихся через трехмерную рабочую зону, преобразуя массу сырья в желаемую форму с помощью траектории инструмента, ассоциировалась в металлообработке только с процессами, которые удаляли металл (а не добавляли его), такими как фрезерование с ЧПУ , электроэрозионная обработка с ЧПУ и многие другие. Однако автоматизированные методы, которые добавляли металл, которые позже будут называться аддитивным производством, начали оспаривать это предположение. К середине 1990-х годов в Стэнфорде и Университете Карнеги-Меллона были разработаны новые методы осаждения материалов , включая микролитье [34] и распыление материалов. [35] Жертвенные и вспомогательные материалы также стали более распространенными, что позволило создавать новые геометрии объектов. [36]
Термин «3D-печать» изначально относился к процессу порошковой печати с использованием стандартных и специальных печатающих головок струйной печати , разработанному в Массачусетском технологическом институте Эмануэлем Саксом в 1993 году и выведенному на рынок компаниями Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation и Z Corporation . [ требуется ссылка ]
В 1993 году также была основана компания по производству струйных 3D-принтеров, изначально называвшаяся Sanders Prototype, Inc., а позднее переименованная в Solidscape , которая представила высокоточную систему струйного изготовления полимеров с растворимыми опорными структурами (отнесенную к технике «точка на точку»). [28]
В 1995 году Общество Фраунгофера разработало процесс селективной лазерной плавки .
В начале 2000-х годов 3D-принтеры все еще в основном использовались только в производственных и исследовательских отраслях, поскольку технология была еще относительно молодой и слишком дорогой для большинства потребителей, чтобы иметь возможность ее приобрести. 2000-е годы были временем, когда более масштабное использование технологии стало наблюдаться в промышленности, чаще всего в архитектуре и медицинской промышленности, хотя она обычно использовалась для моделирования и тестирования с низкой точностью, а не для производства обычных промышленных товаров или тяжелого прототипирования. [37]
В 2005 году пользователи начали разрабатывать и распространять чертежи 3D-принтеров, которые могли печатать около 70% собственных деталей, оригинальные чертежи которых были разработаны Адрианом Бойером в Университете Бата в 2004 году, а название проекта было RepRap (Replicating Rapid-prototyper). [38]
Аналогичным образом в 2006 году Эван Мэлоун и Ход Липсон начали проект Fab@Home , еще один проект, целью которого было разработать недорогую и открытую систему изготовления, которую пользователи могли бы разрабатывать самостоятельно и оставлять отзывы, что сделало проект очень совместным. [39]
Большая часть программного обеспечения для 3D-печати, доступного общественности в то время, была с открытым исходным кодом , и как таковая быстро распространялась и улучшалась многими индивидуальными пользователями. В 2009 году истек срок действия патентов на процесс печати методом послойного наплавления (FDM). Это открыло двери для новой волны стартапов, многие из которых были созданы основными участниками этих инициатив с открытым исходным кодом, с целью многих из них начать разработку коммерческих FDM 3D-принтеров, которые были бы более доступны для широкой публики. [40]
По мере развития различных аддитивных процессов стало ясно, что вскоре удаление металла больше не будет единственным процессом металлообработки, выполняемым с помощью инструмента или головки, движущихся через трехмерную рабочую зону, преобразуя массу сырья в желаемую форму слой за слоем. 2010-е годы были первым десятилетием, в котором металлические конечные детали, такие как кронштейны двигателя [41] и большие гайки [42], выращивались (либо до, либо вместо обработки) в процессе производства, а не обязательно обрабатывались на станках из пруткового проката или пластины. По-прежнему литье, изготовление, штамповка и механическая обработка более распространены, чем аддитивное производство в металлообработке, но AM теперь начинает добиваться значительных успехов, и с преимуществами проектирования для аддитивного производства инженерам ясно, что впереди еще многое.
Одно из направлений, в котором AM делает значительный прорыв, — это авиационная промышленность. С почти 3,8 миллиардами авиапассажиров в 2016 году [43] спрос на экономичные и легко изготавливаемые реактивные двигатели никогда не был выше. Для крупных OEM-производителей (производителей оригинального оборудования), таких как Pratt and Whitney (PW) и General Electric (GE), это означает, что AM следует рассматривать как способ снижения затрат, сокращения количества несоответствующих деталей, снижения веса двигателей для повышения топливной эффективности и поиска новых, очень сложных форм, которые были бы невозможны при устаревших методах производства. Одним из примеров интеграции AM с аэрокосмической промышленностью был 2016 год, когда Airbus поставила первый из двигателей LEAP компании GE . Этот двигатель имеет интегрированные 3D-печатные топливные форсунки, что позволило сократить количество деталей с 20 до 1, снизить вес на 25% и сократить время сборки. [44] Топливная форсунка является идеальным шагом для аддитивного производства в реактивном двигателе, поскольку она позволяет оптимизировать конструкцию сложных внутренних деталей и является малонапряженной, невращающейся деталью. Аналогичным образом, в 2015 году PW поставила свои первые детали AM в PurePower PW1500G компании Bombardier. Придерживаясь малонапряженных, невращающихся деталей, PW выбрала статоры компрессора и кронштейны синхронизирующих колец [45] , чтобы впервые внедрить эту новую технологию производства. Хотя AM все еще играет небольшую роль в общем количестве деталей в процессе производства реактивного двигателя, окупаемость инвестиций уже можно увидеть по сокращению количества деталей, быстрым производственным возможностям и «оптимизированной конструкции с точки зрения производительности и стоимости». [46]
По мере развития технологий некоторые авторы начали предполагать, что 3D-печать может способствовать устойчивому развитию в развивающихся странах. [47]
В 2012 году компания Filabot разработала систему для замыкания цикла [48] с помощью пластика, которая позволяет любому FDM или FFF 3D-принтеру печатать более широким спектром пластиков.
В 2014 году Бенджамин С. Кук и Манос М. Тентцерис продемонстрировали первую многокомпонентную вертикально интегрированную платформу аддитивного производства печатной электроники (VIPRE), которая позволила печатать на 3D-принтере функциональную электронику, работающую на частоте до 40 ГГц. [49]
Поскольку цены на принтеры начали падать, люди, заинтересованные в этой технологии, получили больше доступа и свободы, чтобы делать то, что они хотели. По состоянию на 2014 год, цена на коммерческие принтеры все еще была высокой и превышала 2000 долларов. [50]
Термин «3D-печать» изначально относился к процессу, при котором связующий материал наносится на порошковый слой с помощью печатающих головок струйного принтера слой за слоем. В последнее время популярный жаргон начал использовать этот термин для обозначения более широкого спектра методов аддитивного производства, таких как электронно-лучевое аддитивное производство и селективная лазерная плавка. Технические стандарты США и мира используют официальный термин аддитивное производство для этого более широкого смысла.
Наиболее часто используемый процесс 3D-печати (46% по состоянию на 2018 год [update]) — это метод экструзии материалов, называемый моделированием методом послойного наплавления , или FDM. [8] Хотя технология FDM была изобретена после двух других самых популярных технологий: стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS), FDM, как правило, является самой недорогой из трех с большим отрывом, [ необходима ссылка ], что обуславливает популярность этого процесса.
По состоянию на 2020 год 3D-принтеры достигли уровня качества и цены, который позволяет большинству людей войти в мир 3D-печати. В 2020 году принтеры достойного качества можно найти менее чем за 200 долларов США за машины начального уровня. Эти более доступные принтеры обычно являются принтерами FDM- моделирования . [51]
В ноябре 2021 года британский пациент по имени Стив Верзе получил первый в мире полностью напечатанный на 3D-принтере протез глаза в глазной больнице Мурфилдс в Лондоне . [52] [53]
В апреле 2024 года в Университете штата Мэн был представлен крупнейший в мире 3D-принтер Factory of the Future 1.0 . Он способен изготавливать объекты длиной 96 футов или 29 метров. [54]
В 2024 году исследователи использовали машинное обучение для улучшения конструкции синтетической кости [55] и установили рекорд по поглощению ударов. [56]
В июле 2024 года исследователи опубликовали статью в журнале Advanced Materials Technologies, в которой описывается разработка искусственных кровеносных сосудов с использованием технологии 3D-печати, которые столь же прочны и долговечны, как и естественные кровеносные сосуды . [57] Процесс включал использование вращающегося шпинделя, интегрированного в 3D-принтер, для создания трансплантатов из геля на водной основе, которые затем покрывались биоразлагаемыми молекулами полиэстера. [57]
Аддитивное производство или 3D-печать быстро приобрело значение в области инжиниринга из-за своих многочисленных преимуществ. Видение 3D-печати заключается в свободе дизайна, индивидуализации, [58] децентрализации [59] и выполнении процессов, которые ранее были невозможны с помощью альтернативных методов. [60] Некоторые из этих преимуществ включают в себя возможность более быстрого прототипирования, снижение производственных затрат, увеличение кастомизации продукта и улучшение качества продукта. [61]
Более того, возможности 3D-печати вышли за рамки традиционного производства, например, облегченные конструкции [62] или ремонт и техническое обслуживание [63] и нашли применение в протезировании, [64] биопечати, [65] пищевой промышленности, [66] ракетостроении, [67] дизайне и искусстве [68] и системах возобновляемой энергии. [69] Технология 3D-печати может использоваться для производства аккумуляторных систем хранения энергии, которые необходимы для устойчивого производства и распределения энергии.
Еще одним преимуществом 3D-печати является способность технологии производить сложные геометрические формы с высокой точностью и аккуратностью. [70] Это особенно актуально в области микроволновой техники, где 3D-печать может использоваться для производства компонентов с уникальными свойствами, которых трудно достичь с помощью традиционных методов производства. [71]
Процессы аддитивного производства генерируют минимальные отходы, поскольку материал добавляется только там, где это необходимо, в отличие от традиционных методов, которые удаляют излишки материала. [72] Это снижает как материальные затраты, так и воздействие на окружающую среду. [73] Такое сокращение отходов также снижает потребление энергии для производства и утилизации материалов, что способствует уменьшению углеродного следа . [74] [75]
.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 . Модели для 3D-печати, созданные с помощью САПР, приводят к относительно меньшему количеству ошибок, чем другие методы. Ошибки в моделях для 3D-печати могут быть выявлены и исправлены перед печатью. [76] Процесс ручного моделирования для подготовки геометрических данных для 3D-компьютерной графики похож на пластические искусства, такие 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 файла стереолитографии (STL) , де-факто формате файла САПР для аддитивного производства, который хранит данные на основе триангуляции поверхности моделей САПР. STL не предназначен для аддитивного производства, поскольку он генерирует большие размеры файлов топологически оптимизированных деталей и решетчатых структур из-за большого количества задействованных поверхностей. Для решения этой проблемы в 2011 году был представлен более новый формат файла САПР, формат файла аддитивного производства (AMF) . Он хранит информацию с использованием криволинейных триангуляций. [77]
Перед печатью 3D-модели из файла STL ее необходимо сначала проверить на наличие ошибок. Большинство приложений САПР выдают ошибки в выходных файлах STL, [78] [79] следующих типов:
Шаг в создании STL, известный как «ремонт», устраняет такие проблемы в исходной модели. [82] [83] Как правило, STL, созданные на основе модели, полученной с помощью 3D-сканирования, часто имеют больше таких ошибок [84], поскольку 3D-сканирование часто достигается путем получения/отображения точек. 3D-реконструкция часто включает ошибки. [85]
После завершения файл STL необходимо обработать с помощью программного обеспечения, называемого « слайсером », которое преобразует модель в ряд тонких слоев и создает файл G-кода , содержащий инструкции, адаптированные под определенный тип 3D-принтера ( принтеры FDM ). [86] Затем этот файл G-кода можно распечатать с помощью клиентского программного обеспечения для 3D-печати (которое загружает G-код и использует его для инструктирования 3D-принтера во время процесса 3D-печати).
Разрешение принтера описывает толщину слоя и разрешение X–Y в точках на дюйм (dpi) или микрометрах (мкм). Типичная толщина слоя составляет около 100 мкм (250 DPI ), хотя некоторые машины могут печатать слои толщиной до 16 мкм (1600 DPI). [87] Разрешение X–Y сопоставимо с разрешением лазерных принтеров . Частицы (3D-точки) имеют диаметр около 0,01–0,1 мкм (2 540 000–250 000 DPI). [88] Для этого разрешения принтера указание разрешения сетки 0,01–0,03 мм и длины хорды ≤ 0,016 мм генерирует оптимальный выходной файл STL для заданного входного файла модели. [89] Указание более высокого разрешения приводит к получению файлов большего размера без повышения качества печати.
Построение модели с использованием современных методов может занять от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от используемого метода, размера и сложности модели. Аддитивные системы обычно могут сократить это время до нескольких часов, хотя оно сильно варьируется в зависимости от типа используемой машины, а также размера и количества одновременно производимых моделей.
Хотя разрешение и качество поверхности, достигаемые принтером, достаточны для некоторых применений, методы постобработки и финишной обработки обеспечивают такие преимущества, как более высокая точность размеров, более гладкие поверхности и другие модификации, такие как окрашивание.
Поверхностную отделку 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. [90]
Некоторые пригодные для печати полимеры, такие как акрилонитрилбутадиенстирол (АБС), позволяют сглаживать и улучшать качество поверхности с помощью химических процессов паровой обработки [91] на основе ацетона или подобных растворителей.
Некоторые технологии аддитивного производства могут выиграть от отжига в качестве этапа постобработки. Отжиг детали, напечатанной на 3D-принтере, обеспечивает лучшее сцепление внутренних слоев за счет рекристаллизации детали. Он позволяет повысить механические свойства, некоторые из которых - это вязкость разрушения , [92] прочность на изгиб , [93] ударопрочность , [94] и термостойкость . [94] Отжиг компонента может не подходить для применений, где требуется точность размеров, поскольку он может привести к короблению или усадке из-за нагрева и охлаждения. [95]
Аддитивное или субтрактивное гибридное производство (ASHM) — это метод, который включает в себя производство 3D-печатной детали и использование машинной обработки (субтрактивное производство) для удаления материала. [96] Операции машинной обработки могут быть выполнены после каждого слоя или после завершения всей 3D-печати в зависимости от требований приложения. Эти гибридные методы позволяют 3D-печатным деталям достигать лучшей отделки поверхности и точности размеров. [97]
Слоистая структура традиционных процессов аддитивного производства приводит к эффекту ступенчатости на поверхностях деталей, которые изогнуты или наклонены относительно строительной платформы. Эффект сильно зависит от высоты используемого слоя, а также от ориентации поверхности детали внутри строительного процесса. [98] Этот эффект можно минимизировать, используя «переменные высоты слоев» или «адаптивные высоты слоев». Эти методы уменьшают высоту слоя в местах, где требуется более высокое качество. [99]
Покраска детали, напечатанной на 3D-принтере, позволяет получить ряд финишных покрытий и внешних видов, которые не могут быть достигнуты с помощью большинства методов 3D-печати. Процесс обычно включает несколько этапов, таких как подготовка поверхности, грунтовка и покраска. [100] Эти этапы помогают подготовить поверхность детали и обеспечить надлежащее прилипание краски.
Некоторые технологии аддитивного производства позволяют использовать несколько материалов одновременно. Эти технологии позволяют печатать несколькими цветами и цветовыми комбинациями одновременно и производить детали, которые не обязательно требуют покраски.
Некоторые методы печати требуют создания внутренних опор для поддержки нависающих элементов во время строительства. Эти опоры должны быть механически удалены или растворены, если используется водорастворимый материал поддержки, такой как ПВА, после завершения печати.
Некоторые коммерческие металлические 3D-принтеры включают в себя отрезание металлического компонента от металлической подложки после осаждения. Новый процесс для GMAW 3D-печати позволяет модифицировать поверхность подложки для удаления алюминия [101] или стали . [102]
Традиционно 3D-печать фокусировалась на полимерах для печати из-за простоты производства и обработки полимерных материалов. Однако метод быстро развился, чтобы печатать не только различные полимеры [104] , но также металлы [105] [106] и керамику , [107] что делает 3D-печать универсальным вариантом для производства. Послойное изготовление трехмерных физических моделей — это современная концепция, которая «происходит из постоянно растущей индустрии САПР, а точнее, из твердотельного моделирования в САПР. До того, как твердотельное моделирование было введено в конце 1980-х годов, трехмерные модели создавались с помощью каркасов и поверхностей». [108] но во всех случаях слои материалов контролируются принтером и свойствами материала. Трехмерный слой материала контролируется скоростью осаждения, которая задается оператором принтера и сохраняется в компьютерном файле. Самым ранним запатентованным печатным материалом были чернила горячего расплава для печати узоров с использованием нагретого металлического сплава.
Чарльз Халл подал первый патент 8 августа 1984 года на использование УФ-отверждаемой акриловой смолы с использованием УФ-маскированного источника света в UVP Corp для создания простой модели. SLA-1 был первым продуктом SL, анонсированным 3D Systems на выставке Autofact Exposition в Детройте в ноябре 1978 года. SLA-1 Beta был отправлен в январе 1988 года в Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors и AMP. Первый серийный SLA-1 был отправлен в Precision Castparts в апреле 1988 года. Материал УФ-смолы быстро изменился на материал на основе эпоксидной смолы. В обоих случаях модели SLA-1 требовали УФ-отверждения в печи после промывки в очистителе-растворителе для удаления неотвержденной граничной смолы. Аппарат для пост-отверждения (PCA) продавался со всеми системами. Ранним принтерам для печати на смоле требовалось лезвие для перемещения свежей смолы по модели на каждом слое. Толщина слоя составляла 0,006 дюйма, а модель HeCd-лазера SLA-1 имела мощность 12 Вт и перемещалась по поверхности со скоростью 30 дюймов в секунду. UVP была приобретена 3D Systems в январе 1990 года. [109]
Обзор истории показывает, что ряд материалов (смолы, пластиковый порошок, пластиковая нить и термоплавкие пластиковые чернила) использовались в 1980-х годах для патентов в области быстрого прототипирования. Маскированная УФ-отверждаемая смола была также представлена Ицхаком Померанцем из Cubital в Soldier 5600, лазерно-спеченные термопластичные порошки Карла Декарда (DTM) и бумага с клеевой и лазерной резкой (LOM), сложенная в объекты Майклом Фейгином до того, как 3D Systems сделала свое первое заявление. Скотт Крамп также работал с экструдированным «расплавленным» пластиковым моделированием нитей (FDM), а капельное осаждение было запатентовано Уильямом Э. Мастерсом через неделю после патента Халла в 1984 году, но ему пришлось открыть термопластичные струйные принтеры, представленные 3D-принтером Visual Impact Corporation в 1992 году, используя струйные принтеры Howtek, Inc., прежде чем он основал BPM, чтобы выпустить свой собственный 3D-принтер в 1994 году. [109]
Усилия по достижению многоматериальной 3D-печати варьируются от усовершенствованных процессов, подобных FDM, таких как VoxelJet, до новых технологий печати на основе вокселей, таких как многослойная сборка. [110]
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. Многоматериальная 3D-печать решает эту проблему, позволяя изготавливать объекты со сложными и неоднородными расположениями материалов с использованием одного принтера. Здесь материал должен быть указан для каждого воксела (или элемента пикселя 3D-печати) внутри конечного объема объекта.
Однако этот процесс может быть сопряжен с осложнениями из-за изолированных и монолитных алгоритмов. Некоторые коммерческие устройства пытались решить эти проблемы, например, построить транслятор Spec2Fab, но прогресс все еще очень ограничен. [111] Тем не менее, в медицинской промышленности была представлена концепция 3D-печатных таблеток и вакцин. [112] С этой новой концепцией можно объединять несколько лекарств, что, как ожидается, снизит многие риски. С ростом числа применений многоматериальной 3D-печати расходы на повседневную жизнь и развитие высоких технологий неизбежно станут ниже.
Также исследуются металлографические материалы 3D-печати. [113] Классифицируя каждый материал, CIMP-3D может систематически выполнять 3D-печать с использованием нескольких материалов. [114]
Использование 3D-печати и многоматериальных структур в аддитивном производстве позволило разработать и создать то, что называется 4D-печатью. 4D-печать — это процесс аддитивного производства, в котором напечатанный объект меняет форму со временем, температурой или каким-либо другим типом стимуляции. 4D-печать позволяет создавать динамические структуры с регулируемыми формами, свойствами или функциональностью. Умные/реагирующие на стимул материалы, которые создаются с помощью 4D-печати, могут быть активированы для создания расчетных реакций, таких как самосборка, самовосстановление, многофункциональность, реконфигурация и изменение формы. Это позволяет настраивать печать изменяющих форму и запоминающих форму материалов. [115]
4D-печать имеет потенциал для поиска новых приложений и вариантов использования материалов (пластиков, композитов, металлов и т. д.) и имеет потенциал для создания новых сплавов и композитов, которые ранее не были жизнеспособны. 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 позволить процессу стать 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 напечатанных интеллектуальных материалов должны быть близки или лучше, чем у деталей, полученных с помощью традиционных процессов обработки. Необходимо разработать новые и настраиваемые материалы, которые способны последовательно реагировать на различные внешние стимулы и изменять свою желаемую форму. Также необходимо разработать новое программное обеспечение для различных типов технологий 4D-печати. Программное обеспечение для 4D-печати должно будет учитывать базовый интеллектуальный материал, технологию печати, а также структурные и геометрические требования к конструкции. [116]
Стандарт ISO/ASTM52900-15 определяет семь категорий процессов аддитивного производства (AM) в соответствии с его значением. [117] [118] Это:
Основные различия между процессами заключаются в способе нанесения слоев для создания деталей и в используемых материалах. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, поэтому некоторые компании предлагают выбор порошка и полимера в качестве материала, используемого для создания объекта. [119] Другие иногда используют стандартную, готовую деловую бумагу в качестве строительного материала для производства прочного прототипа. Основными соображениями при выборе машины обычно являются скорость, стоимость 3D-принтера, напечатанного прототипа, выбор и стоимость материалов и цветовые возможности. [120] Принтеры, которые работают напрямую с металлами, как правило, дороги. Однако менее дорогие принтеры можно использовать для изготовления формы, которая затем используется для изготовления металлических деталей. [121]
Первый процесс, в котором трехмерный материал наносится для формирования объекта, был выполнен с помощью струйной печати [28] или, как это изначально называлось, осаждения частиц. Осаждение частиц с помощью струйной печати впервые началось с технологии непрерывной струйной печати (CIT) (1950-е годы), а затем с технологии струйной печати с каплей по требованию (1970-е годы) с использованием термоплавких чернил. Первыми трехмерными материалами, наносимыми струей, были восковые чернила, а позднее с помощью CIT наносился низкотемпературный сплав металла. Следующими струйными материалами стали восковые и термопластичные термоплавкие расплавы, наносимые Министерством обороны. Объекты были очень маленькими и начинались с текстовых символов и цифр для вывесок. Объект должен иметь форму и быть удобным для обращения. Восковые символы, выпавшие из бумажных документов, вдохновили на патент на жидкометаллический самописец, позволивший создавать металлические символы для вывесок в 1971 году. Термопластичные цветные чернила (CMYK) печатались слоями каждого цвета, образуя первые цифровые многослойные объекты в 1984 году. Идея литья по выплавляемым моделям с использованием изображений или узоров, нанесенных струйным методом Solid-Ink, в 1984 году привела к первому патенту на формирование изделий путем осаждения частиц в 1989 году, выданному в 1992 году.
Некоторые методы расплавляют или размягчают материал для создания слоев. При изготовлении методом наплавления нитей , также известном как моделирование методом наплавления (FDM), модель или деталь изготавливаются путем экструзии небольших шариков или потоков материала, которые немедленно затвердевают, образуя слои. Нить термопластика , металлической проволоки или другого материала подается в головку сопла экструзии ( экструдер 3D-принтера ), которая нагревает материал и включает и выключает поток. FDM несколько ограничен в вариации форм, которые могут быть изготовлены. Другая техника сплавляет части слоя, а затем перемещает их вверх по рабочей зоне, добавляя еще один слой гранул и повторяя процесс до тех пор, пока деталь не будет сформирована. Этот процесс использует нерасплавленную среду для поддержки выступов и тонких стенок в изготавливаемой детали, что снижает необходимость во временных вспомогательных опорах для детали. [122] Недавно FFF/FDM расширилась до 3D-печати непосредственно из гранул, чтобы избежать преобразования в нить. Этот процесс называется изготовлением сплавленных частиц (FPF) (или изготовлением сплавленных гранул (FGF)) и имеет потенциал для использования большего количества переработанных материалов. [123]
Методы слияния порошковых слоев, или PBF, включают несколько процессов, таких как DMLS , SLS , SLM, MJF и EBM . Процессы слияния порошковых слоев могут использоваться с массивом материалов, а их гибкость позволяет создавать геометрически сложные структуры, [124] что делает их хорошим выбором для многих проектов 3D-печати. Эти методы включают селективное лазерное спекание , как с металлами, так и с полимерами, а также прямое лазерное спекание металлов . [125] Селективное лазерное плавление не использует спекание для плавления гранул порошка, но полностью расплавляет порошок с помощью высокоэнергетического лазера для создания полностью плотных материалов послойным методом, который имеет механические свойства, аналогичные свойствам обычных производимых металлов. Электронно-лучевая плавка — это аналогичный тип технологии аддитивного производства для металлических деталей (например, титановых сплавов ). EBM изготавливает детали путем плавления металлического порошка слой за слоем с помощью электронного пучка в высоком вакууме. [126] [127] Другой метод состоит из системы струйной 3D-печати , которая создает модель по одному слою за раз, распределяя слой порошка ( гипса или смолы ) и печатая связующее вещество в поперечном сечении детали с использованием процесса, похожего на струйную печать. При производстве ламинированных объектов тонкие слои разрезаются по форме и соединяются. В дополнение к ранее упомянутым методам HP разработала технологию Multi Jet Fusion (MJF), которая представляет собой технологию на основе порошка, хотя лазеры не используются. Струйная матрица наносит сплавляющие и детализирующие агенты, которые затем объединяются путем нагрева для создания сплошного слоя. [128]
Метод струйной 3D-печати со связующим включает в себя нанесение связующего клеевого агента на слои материала, обычно порошкообразного, а затем эта «зеленая» часть может быть отверждена и даже спечена. Материалы могут быть на основе керамики, металла или пластика. Этот метод также известен как струйная 3D-печать . Для изготовления детали принтер строит модель с помощью головки, которая перемещается по основанию платформы для распределения или нанесения чередующихся слоев порошка ( гипса и смолы ) и связующего. Большинство современных струйных принтеров со связующим также отверждают каждый слой связующего. Эти шаги повторяются до тех пор, пока все слои не будут напечатаны. Эта зеленая часть обычно отверждается в печи для удаления газа из большей части связующего перед спеканием в печи с определенной кривой времени и температуры для данного материала(ов).
Эта технология позволяет печатать полноцветные прототипы, нависания и эластомерные детали. Прочность связанных порошковых отпечатков может быть повышена путем пропитки пространства между шейкой или спеченной матрицей порошка другими совместимыми материалами в зависимости от порошкового материала, такими как воск, термореактивный полимер или даже бронза. [129] [130]
Другие методы отверждают жидкие материалы с использованием различных сложных технологий, таких как стереолитография . Фотополимеризация в основном используется в стереолитографии для получения твердой детали из жидкости. Системы струйных принтеров, такие как система Objet PolyJet, распыляют фотополимерные материалы на поддон для сборки сверхтонкими слоями (от 16 до 30 мкм) до тех пор, пока деталь не будет завершена. [131] Каждый слой фотополимера отверждается УФ-светом после струйной обработки, создавая полностью отвержденные модели, которые можно обрабатывать и использовать немедленно, без пост-отверждения. Сверхмалые элементы можно изготавливать с помощью техники 3D-микропроизводства, используемой в многофотонной фотополимеризации. Из-за нелинейной природы фотовозбуждения гель отверждается до твердого состояния только в тех местах, где был сфокусирован лазер, а оставшийся гель затем смывается. Легко производятся элементы размером менее 100 нм, а также сложные структуры с движущимися и взаимосвязанными частями. [132] Еще один подход использует синтетическую смолу, которая отверждается с помощью светодиодов . [133]
В стереолитографии на основе проекционного изображения маски трехмерная цифровая модель разрезается на набор горизонтальных плоскостей. Каждый срез преобразуется в двумерное изображение маски. Затем изображение маски проецируется на поверхность фотоотверждаемой жидкой смолы, а свет проецируется на смолу для ее отверждения в форме слоя. [134] Непрерывное производство жидкого интерфейса начинается с бассейна жидкой фотополимерной смолы . Часть дна бассейна прозрачна для ультрафиолетового света («окно»), что заставляет смолу затвердевать. Объект поднимается достаточно медленно, чтобы позволить смоле затечь под ним и поддерживать контакт с дном объекта. [135] При осаждении с направленной энергией с подачей порошка мощный лазер используется для расплавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Процесс направленной энергии с подачей порошка похож на селективное лазерное спекание, но металлический порошок наносится только там, где в этот момент к детали добавляется материал. [136] [137]
Компьютерная аксиальная литография — это метод 3D-печати, основанный на компьютерном томографическом сканировании для создания отпечатков из фотоотверждаемой смолы. Он был разработан в сотрудничестве между Калифорнийским университетом в Беркли и Национальной лабораторией Лоуренса в Ливерморе . [138] [139] [140] 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 смолы. [138] [140] Он примечателен своей способностью создавать объект намного быстрее, чем другие методы, использующие смолы, и способностью встраивать объекты в отпечатки. [139]
Жидкостное аддитивное производство (LAM) — это метод 3D-печати, при котором жидкий или высоковязкий материал (например, жидкий силиконовый каучук) наносится на поверхность сборки для создания объекта, который затем вулканизируется с использованием тепла для затвердевания объекта. [141] [142] [143] Первоначально этот процесс был создан Эдрианом Бойером , а затем был расширен German RepRap. [141] [144] [145]
Технология, называемая программируемой оснасткой, использует 3D-печать для создания временной формы, которая затем заполняется с помощью обычного процесса литья под давлением , а затем немедленно растворяется. [146]
В некоторых принтерах бумага может использоваться в качестве материала для построения, что приводит к снижению стоимости печати. В 1990-х годах некоторые компании выпускали принтеры, которые вырезали поперечные сечения из специальной клеевой бумаги с использованием лазера на углекислом газе, а затем ламинировали их вместе.
В 2005 году компания Mcor Technologies Ltd разработала другой процесс, используя обычные листы офисной бумаги, лезвие из карбида вольфрама для вырезания формы и выборочное нанесение клея и давление для склеивания прототипа. [147]
При порошковом осаждении с направленной энергией (также известном как лазерное осаждение металла ) мощный лазер используется для расплавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Лазерный луч обычно проходит через центр головки осаждения и фокусируется на небольшом пятне одной или несколькими линзами. Сборка происходит на столе XY , который приводится в движение траекторией инструмента, созданной из цифровой модели, для изготовления объекта слой за слоем. Головка осаждения перемещается вертикально вверх по мере завершения каждого слоя. Некоторые системы даже используют 5-осевые [148] [149] или 6-осевые системы [150] ( т. е. шарнирные рычаги ), способные доставлять материал на подложку (печатный стол или уже существующую деталь [151] ) с небольшими или нулевыми ограничениями по пространственному доступу. Металлический порошок доставляется и распределяется по окружности головки или может быть разделен внутренним коллектором и доставлен через сопла, расположенные в различных конфигурациях вокруг головки осаждения. Герметичная камера, заполненная инертным газом или локальным инертным защитным газом (иногда оба вместе), часто используется для защиты расплавленной ванны от кислорода воздуха, чтобы ограничить окисление и лучше контролировать свойства материала. Процесс направленной энергии с подачей порошка похож на селективное лазерное спекание, но металлический порошок проецируется только туда, где материал добавляется к детали в этот момент. Лазерный луч используется для нагрева и создания «расплавленной ванны» на подложке, в которую новый порошок впрыскивается почти одновременно. Процесс поддерживает широкий спектр материалов, включая титан, нержавеющую сталь, алюминий, вольфрам и другие специальные материалы, а также композиты и функционально градуированные материалы. Процесс может не только полностью создавать новые металлические детали, но и добавлять материал к существующим деталям, например, для 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. [152] [153]
Системы подачи проволоки на основе лазера, такие как лазерная металлизация проволоки (LMD-w), подают проволоку через сопло, которое расплавляется лазером с использованием инертного газа в открытой среде (газ, окружающий лазер) или в герметичной камере. Изготовление электронной пучковой свободной формы использует источник тепла электронного пучка внутри вакуумной камеры.
Также можно использовать обычную газовую дуговую сварку металлическим электродом , прикрепленную к 3D-платформе, для 3D-печати металлов, таких как сталь, бронза и алюминий. [154] [155] Недорогие 3D-принтеры с открытым исходным кодом в стиле RepRap были оснащены датчиками на базе Arduino и продемонстрировали приемлемые металлургические свойства при использовании обычной сварочной проволоки в качестве исходного сырья. [156]
При селективном осаждении порошка строительные и поддерживающие порошки выборочно осаждаются в тигель таким образом, что строительный порошок принимает форму желаемого объекта, а поддерживающий порошок заполняет остальной объем в тигле. Затем наносится заполняющий материал таким образом, чтобы он вступал в контакт с заполняющим порошком. Затем тигель обжигается в печи при температуре выше точки плавления заполняющего материала, но ниже точек плавления порошков. Когда заполняющий материал плавится, он впитывает заполняющий порошок. Но он не впитывает поддерживающий порошок, потому что поддерживающий порошок выбирается таким образом, чтобы он не смачивался заполняющим материалом. Если при температуре обжига атомы заполняющего материала и заполняющего порошка взаимно разъединяются, как в случае медного порошка и заполняющего цинка, то полученный материал будет однородной смесью этих атомов, в данном случае бронзой. Но если атомы не являются взаимно разъединяемыми, как в случае вольфрама и меди при 1100 °C, то полученный материал будет композитом. Чтобы предотвратить искажение формы, температура обжига должна быть ниже температуры солидуса полученного сплава. [157]
Криогенная 3D-печать представляет собой набор методов, которые формируют твердые структуры путем замораживания жидких материалов во время их осаждения. По мере нанесения 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 гарантировать, что структура остается твердой во время производства, а влажность должна оставаться низкой, чтобы предотвратить образование инея между нанесением слоев. [158] Материалы обычно включают воду и водные растворы, такие как рассол , суспензия и гидрогели . [159] [160] Методы криогенной 3D-печати включают быстрое замораживание прототипа (RFP), [159] производство низкотемпературного осаждения (LDM), [161] и изготовление экструзией замороженной формы (FEF). [162]
3D-печать или аддитивное производство использовались в производственном, медицинском, промышленном и социально-культурном секторах (например, культурное наследие) для создания успешных коммерческих технологий. [163] Совсем недавно 3D-печать также использовалась в гуманитарном и развивающем секторе для производства ряда медицинских изделий, протезов, запасных частей и ремонта. [164] Самое раннее применение аддитивного производства было в инструментальном конце производственного спектра. Например, быстрое прототипирование было одним из самых ранних вариантов аддитивного производства, и его миссия состояла в том, чтобы сократить время выполнения и стоимость разработки прототипов новых деталей и устройств, что ранее выполнялось только с помощью субтрактивных методов инструментального производства, таких как фрезерование с ЧПУ, токарная обработка и прецизионное шлифование. [165] В 2010-х годах аддитивное производство вошло в производство в гораздо большей степени.
Аддитивное производство продуктов питания разрабатывается путем выдавливания продуктов питания, слой за слоем, в трехмерные объекты. Подходящими кандидатами являются самые разные продукты, такие как шоколад и конфеты, а также плоские продукты, такие как крекеры, макароны [166] и пицца. [167] [168] НАСА изучает технологию с целью создания 3D-печатной еды, чтобы ограничить пищевые отходы и производить еду, предназначенную для удовлетворения диетических потребностей астронавтов. [169] В 2018 году итальянский биоинженер Джузеппе Шионти разработал технологию, позволяющую производить волокнистые аналоги мяса на растительной основе с использованием специального 3D-биопринтера , имитирующего текстуру и пищевую ценность мяса. [170] [171]
3D-печать вошла в мир одежды, и модельеры экспериментируют с 3D-печатными бикини, обувью и платьями. [172] В коммерческом производстве Nike использовала 3D-печать для прототипирования и производства футбольных кроссовок Vapor Laser Talon 2012 года для игроков в американский футбол, а New Balance изготавливает на 3D-принтере обувь по индивидуальному заказу для спортсменов. [172] [173] 3D-печать достигла точки, когда компании печатают потребительские очки с индивидуальной посадкой и стилем по запросу (хотя они не могут печатать линзы). Индивидуализация очков по запросу возможна с помощью быстрого прототипирования. [174]
В автомобилях, грузовиках и самолетах аддитивное производство начинает преобразовывать как проектирование и производство цельных кузовов и фюзеляжей , так и проектирование и производство трансмиссий . Например, General Electric использует высокопроизводительные 3D-принтеры для создания деталей турбин . [175] Многие из этих систем используются для быстрого прототипирования перед применением методов массового производства. Другие яркие примеры включают:
Влияние AM на огнестрельное оружие включает в себя два измерения: 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 3D-печатного огнестрельного оружия , «которое мог бы загрузить и воспроизвести любой, у кого есть 3D-принтер». [184] [185] После того, как Defense Distributed опубликовала свои планы, были подняты вопросы относительно влияния, которое 3D-печать и широко распространенная обработка на станках с ЧПУ потребительского уровня [186] [187] могут оказать на эффективность контроля над оружием . [188] [189] [190] [191] Более того, стратегии проектирования брони можно улучшить, черпая вдохновение из природы и легко прототипируя эти конструкции с помощью AM. [192]
Хирургическое использование 3D-печатных методов лечения началось в середине 1990-х годов с анатомического моделирования для планирования костной реконструктивной хирургии. Имплантаты, соответствующие пациенту, стали естественным продолжением этой работы, что привело к созданию по-настоящему персонализированных имплантатов, которые подходят одному уникальному человеку. [193] Виртуальное планирование операции и руководство с использованием 3D-печатных персонализированных инструментов с большим успехом применялись во многих областях хирургии, включая полную замену суставов и краниомаксиллофациальную реконструкцию. [194] [195] Одним из примеров этого является биорезорбируемая трахеальная шина для лечения новорожденных с трахеобронхомаляцией [196], разработанная в Мичиганском университете. Использование аддитивного производства для серийного производства ортопедических имплантатов (металлов) также увеличивается из-за возможности эффективно создавать пористые поверхностные структуры, которые облегчают остеоинтеграцию . Ожидается, что слуховые аппараты и стоматологическая промышленность станут крупнейшими областями будущего развития с использованием технологии индивидуальной 3D-печати. [197]
3D-печать не ограничивается только неорганическими материалами; благодаря 3D-печати стало возможным множество биомедицинских достижений. По состоянию на 2012 год технология [update]3D -биопечати изучалась биотехнологическими фирмами и академическими кругами на предмет возможного использования в тканевой инженерии, в которой 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 наращиваются, образуя трехмерные структуры, включая сосудистые системы. [198] 3D-печать рассматривалась как метод имплантации стволовых клеток , способных генерировать новые ткани и органы у живых людей. [199] В 2018 году технология 3D-печати впервые была 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 3D-печатные шарики способны способствовать высокой плотности прикрепления клеток и выработке пропионовой кислоты, что может быть адаптировано к другим биопроцессам ферментации. [200]
3D-печать также используется исследователями в фармацевтической области. За последние несколько лет наблюдается всплеск академического интереса к доставке лекарств с помощью технологий AM. Эта технология предлагает уникальный способ использования материалов в новых формулах. [201] Производство AM позволяет использовать материалы и соединения при разработке формул способами, которые невозможны при использовании обычных/традиционных методов в фармацевтической области, например, таблетирование, литье под давлением и т. д. Более того, одним из основных преимуществ 3D-печати, особенно в случае моделирования методом послойного наплавления (FDM), является персонализация лекарственной формы, которая может быть достигнута, таким образом, ориентируясь на конкретные потребности пациента. [202] Ожидается, что в не столь отдаленном будущем 3D-принтеры появятся в больницах и аптеках, чтобы обеспечить производство по требованию персонализированных формул в соответствии с потребностями пациентов. [203]
3D-печать также использовалась для медицинского оборудования. Во время пандемии COVID-19 3D-принтеры использовались для пополнения дефицитных поставок СИЗ с помощью волонтеров, которые использовали свои личные принтеры для производства различных предметов индивидуальной защиты (например, оправ для защитных щитков).
3D-печать и, в частности, 3D-принтеры с открытым исходным кодом являются новейшими технологиями, проникающими в классы. [204] [205] [206] Высшее образование оказалось основным покупателем настольных и профессиональных 3D-принтеров, что отраслевые эксперты обычно рассматривают как положительный показатель. [207] Некоторые авторы утверждают, что 3D-принтеры предлагают беспрецедентную «революцию» в образовании STEM . [208] [209] Доказательства таких утверждений исходят как из недорогой возможности быстрого прототипирования в классе студентами, так и из изготовления недорогого высококачественного научного оборудования из открытых аппаратных конструкций, образующих лаборатории с открытым исходным кодом . [210] Кроме того, библиотеки по всему миру также стали местами размещения небольших 3D-принтеров для образовательного и общественного доступа. [211] Будущие приложения для 3D-печати могут включать создание научного оборудования с открытым исходным кодом. [210] [212]
В 2010-х годах 3D-печать стала интенсивно использоваться в области культурного наследия для целей сохранения, реставрации и распространения. [213] Многие европейские и североамериканские музеи приобрели 3D-принтеры и активно воссоздают недостающие части своих реликвий [214] и археологических памятников, таких как Тиуанако в Боливии . [215] Музей Метрополитен и Британский музей начали использовать свои 3D-принтеры для создания музейных сувениров, которые доступны в музейных магазинах. [216] Другие музеи, такие как Национальный музей военной истории и Исторический музей Варны, пошли дальше и продают через онлайн-платформу Threeding цифровые модели своих артефактов, созданные с помощью 3D-сканеров Artec , в удобном для 3D-печати формате файла, который каждый может распечатать на 3D-принтере дома. [217] Морехшин Аллахьяри , американская художница иранского происхождения, считает, что ее использование процессов 3D-скульптуры для реконструкции иранских культурных ценностей является феминистским активизмом. Аллахьяри использует программное обеспечение для 3D-моделирования для реконструкции ряда культурных артефактов, которые были разрушены боевиками ИГИЛ в 2014 году. [218]
Применение 3D-печати для представления архитектурных объектов связано со многими проблемами. В 2018 году структура Национального банка Ирана традиционно обследовалась и моделировалась в программном обеспечении для компьютерной графики (в частности, Cinema4D ) и была оптимизирована для 3D-печати. Команда протестировала методику для построения детали, и она прошла успешно. После тестирования процедуры модельеры реконструировали структуру в Cinema4D и экспортировали переднюю часть модели в Netfabb. Вход в здание был выбран из-за ограничений 3D-печати и бюджета проекта по изготовлению макета. 3D-печать была лишь одной из возможностей, предоставляемых созданной 3D-моделью банка, но из-за ограниченного объема проекта команда не продолжила моделирование для виртуального представления или других приложений. [219] В 2021 году Парсинеджад и др. всесторонне сравнили метод ручной съемки для 3D-реконструкции, готовой для 3D-печати, с цифровой записью (принятие метода фотограмметрии). [219]
Первый в мире стальной мост, напечатанный на 3D-принтере, был представлен в Амстердаме в июле 2021 года. Протяженность моста составляет 12 метров над каналом Аудезидс-Ахтербургвал . Он был создан с помощью роботизированных рук, которые напечатали более 4500 килограммов нержавеющей стали. На его строительство ушло шесть месяцев. [220]
3D-печатные мягкие приводы — это растущее применение технологии 3D-печати, которое нашло 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, постобработки/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-печати, вводятся для того, чтобы произвести революцию в проектировании и изготовлении мягких приводов с индивидуальными геометрическими, функциональными и управляющими свойствами в более быстром и недорогом подходе. Они также позволяют объединять все компоненты привода в единую структуру, устраняя необходимость использования внешних соединений , клеев и крепежей .
Изготовление печатных плат включает в себя несколько этапов, которые включают в себя визуализацию, сверление, гальванопокрытие, покрытие паяльной маской, печать номенклатуры и отделку поверхности. Эти этапы включают в себя множество химикатов, таких как едкие растворители и кислоты. 3D-печатные печатные платы устраняют необходимость во многих из этих этапов, при этом по-прежнему производя сложные конструкции. [221] Полимерные чернила используются для создания слоев сборки, в то время как серебряный полимер используется для создания дорожек и отверстий, используемых для пропускания электричества. [222] Современное производство печатных плат может быть утомительным процессом в зависимости от конструкции. Указанные материалы собираются и отправляются на обработку внутренних слоев, где изображения печатаются, проявляются и травятся. Ядра травления обычно пробиваются, чтобы добавить инструменты для ламинирования. Затем ядра подготавливаются для ламинирования. Стек, наращивание печатной платы, строится и отправляется на ламинирование, где слои соединяются. Затем платы измеряются и сверлятся. Многие этапы могут отличаться от этого этапа, однако для простых конструкций материал проходит процесс гальванопокрытия для покрытия отверстий и поверхности. Затем внешнее изображение печатается, проявляется и травится. После того, как изображение определено, материал должен быть покрыт паяльной маской для последующей пайки. Затем добавляется номенклатура, чтобы компоненты можно было идентифицировать позже. Затем добавляется отделка поверхности. Платы направляются из формы панели в их единичную или массивную форму, а затем электрически тестируются. Помимо документов, которые должны быть заполнены, чтобы доказать, что платы соответствуют спецификациям, платы затем упаковываются и отправляются. Преимущества 3D-печати заключаются в том, что окончательный контур определяется с самого начала, не требуется визуализация, перфорация или ламинирование, а электрические соединения выполняются с помощью серебряного полимера, что исключает сверление и гальванопокрытие. Окончательная документация также будет значительно сокращена из-за отсутствия материалов, необходимых для создания печатной платы. Сложные конструкции, на выполнение которых при обычной обработке могут уйти недели, можно напечатать на 3D-принтере, что значительно сокращает время производства.
В 2005 году академические журналы начали сообщать о возможных художественных применениях технологии 3D-печати. [223] Стандартные машины становились все более способными производить практические бытовые приложения, например, декоративные предметы. Некоторые практические примеры включают рабочие часы [224] и шестерни , напечатанные для домашних деревообрабатывающих станков, среди прочего. [225] Веб-сайты, связанные с домашней 3D-печатью, как правило, включали чесалки для спины, крючки для одежды, дверные ручки и т. д. [226] По состоянию на 2017 год домашняя 3D-печать достигла потребительской аудитории, выходящей за рамки любителей и энтузиастов. Несколько проектов и компаний прилагают усилия по разработке доступных 3D-принтеров для домашнего настольного использования. Большая часть этой работы была инициирована и нацелена на сообщества DIY / производителей / энтузиастов / ранних последователей , с дополнительными связями с академическими и хакерскими сообществами.
По оценкам, в 2019 году, благодаря снижению цен и повышению качества, [update]около 2 миллионов человек во всем мире приобрели 3D-принтер для хобби. [227]
3D-печать существует уже несколько десятилетий в определенных производственных отраслях, где могут применяться многие правовые режимы, включая патенты , права на промышленный дизайн , авторские права и товарные знаки . Однако не так много юриспруденции , чтобы сказать, как эти законы будут применяться, если 3D-принтеры станут мейнстримом, и отдельные лица или сообщества любителей начнут производить предметы для личного пользования, для некоммерческого распространения или для продажи.
Любой из упомянутых правовых режимов может запрещать распространение дизайнов, используемых в 3D-печати, или распространение или продажу напечатанного изделия. Чтобы получить разрешение на эти действия, когда речь идет об активной интеллектуальной собственности, человеку придется связаться с владельцем и попросить лицензию, которая может сопровождаться условиями и ценой. Однако многие законы о патентах, дизайнах и авторских правах содержат стандартное ограничение или исключение для «частного» или «некоммерческого» использования изобретений, дизайнов или произведений искусства, защищенных интеллектуальной собственностью (ИС). Это стандартное ограничение или исключение может оставить такое частное, некоммерческое использование за пределами сферы действия прав ИС.
Патенты охватывают изобретения, включая процессы, машины, производство и составы веществ, и имеют конечный срок действия, который варьируется в зависимости от страны, но обычно составляет 20 лет с даты подачи заявки. Поэтому, если тип колеса запатентован, печать, использование или продажа такого колеса может быть нарушением патента. [228]
Авторское право распространяется на выражение [229] на материальном, фиксированном носителе и часто действует в течение жизни автора плюс 70 лет после этого. [230] Например, скульптор сохраняет авторское право на статую, так что другие люди не могут затем законно распространять проекты для печати идентичной или похожей статуи без выплаты роялти, ожидания истечения срока действия авторского права или работы в рамках исключения о добросовестном использовании .
Когда характеристика имеет как художественные (охраняемые авторским правом), так и функциональные (патентоспособные) достоинства, когда вопрос возникает в суде США, суды часто постановляют, что характеристика не является охраняемой авторским правом, если ее нельзя отделить от функциональных аспектов элемента. [230] В других странах закон и суды могут применять другой подход, разрешая, например, регистрацию дизайна 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 «значительные достижения в области возможностей трехмерной (3D) печати, доступность бесплатных цифровых файлов для 3D-печати компонентов огнестрельного оружия и трудности регулирования обмена файлами могут представлять угрозу общественной безопасности со стороны неквалифицированных искателей оружия, которые приобретают или производят 3D-печатное оружие» и что «предлагаемое законодательство о запрете 3D-печати оружия может сдержать, но не полностью предотвратить его производство. Даже если эта практика будет запрещена новым законодательством, онлайн-распространение этих 3D-печатных файлов будет так же трудно контролировать, как и любые другие незаконно продаваемые музыкальные, кино- или программные файлы». [231]
Попытка ограничить распространение планов по оружию через Интернет была приравнена к тщетности предотвращения широкого распространения DeCSS , который позволял копировать DVD . [232] [233] [234] [235] После того, как правительство США заставило Defense Distributed удалить планы, они все еще были широко доступны через Pirate Bay и другие сайты обмена файлами. [236] Скачивания планов из Великобритании, Германии, Испании и Бразилии были большими. [237] [238] Некоторые законодатели США предложили правила для 3D-принтеров, чтобы предотвратить их использование для печати оружия. [239] [240] Сторонники 3D-печати предположили, что такие правила будут бесполезны, могут парализовать отрасль 3D-печати и могут нарушить права на свободу слова, при этом один из первых пионеров 3D-печати профессор Ход Липсон предположил, что вместо этого можно контролировать порох. [241] [242] [243] [244] [245] [246]
На международном уровне, где контроль за оружием, как правило, строже, чем в Соединенных Штатах, некоторые комментаторы заявили, что воздействие может ощущаться сильнее, поскольку альтернативное огнестрельное оружие не так легко получить. [247] Чиновники в Соединенном Королевстве отметили, что производство 3D-печатного оружия будет незаконным в соответствии с их законами о контроле за оружием. [248] Европол заявил, что преступники имеют доступ к другим источникам оружия, но отметил, что по мере совершенствования технологий риски эффекта будут увеличиваться. [249] [250]
В Соединенных Штатах FAA предвидело желание использовать методы аддитивного производства и рассматривало, как лучше всего регулировать этот процесс. [251] FAA имеет юрисдикцию над таким изготовлением, поскольку все детали самолета должны быть изготовлены в соответствии с производственным одобрением FAA или в соответствии с другими нормативными категориями FAA. [252] В декабре 2016 года FAA одобрило производство 3D-печатной топливной форсунки для двигателя GE LEAP. [253] Авиационный юрист Джейсон Дикштейн предположил, что аддитивное производство — это всего лишь метод производства, и его следует регулировать, как и любой другой метод производства. [254] [255] Он предположил, что FAA следует сосредоточиться на руководстве 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 в обеспечении качества». [254]
Исследования проблем здоровья и безопасности 3D-печати являются новыми и находятся в стадии разработки из-за недавнего распространения 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 и способах контроля потенциальных опасностей. [256]
Уровень шума измеряется в децибелах (дБ) и может значительно варьироваться в домашних принтерах от 15 дБ до 75 дБ. [257] Некоторые основные источники шума в принтерах с нитью — это вентиляторы, двигатели и подшипники, в то время как в принтерах с резиной вентиляторы обычно являются причиной большей части шума. [257] Некоторые методы снижения шума от принтера могут заключаться в установке виброизоляции , использовании вентиляторов большего диаметра , проведении регулярного обслуживания и смазки или использовании звукоизолирующего кожуха. [257]
Аддитивное производство, начиная с сегодняшнего периода младенчества, требует от производственных фирм быть гибкими, постоянно совершенствующимися пользователями всех доступных технологий, чтобы оставаться конкурентоспособными. Сторонники аддитивного производства также предсказывают, что эта дуга технологического развития будет противостоять глобализации , поскольку конечные пользователи будут выполнять большую часть своего собственного производства, а не заниматься торговлей, чтобы покупать продукцию у других людей и корпораций. [16] Однако реальная интеграция новых аддитивных технологий в коммерческое производство — это скорее вопрос дополнения традиционных субтрактивных методов, а не их полного вытеснения. [258]
Футуролог Джереми Рифкин [259] утверждал , что 3D-печать знаменует начало третьей промышленной революции [260] , приходящей на смену конвейерной сборке, которая доминировала в производстве с конца 19 века.
Начиная с 1950-х годов ряд авторов и общественных комментаторов довольно глубоко размышляли о социальных и культурных изменениях, которые могут возникнуть в результате появления коммерчески доступной технологии аддитивного производства. [261] В последние годы 3D-печать оказала значительное влияние на гуманитарный сектор и сектор развития. Ее потенциал для содействия распределенному производству приводит к преимуществам в цепочке поставок и логистике за счет снижения потребности в транспортировке, складировании и отходах. Кроме того, социальное и экономическое развитие продвигается за счет создания местных производственных экономик. [164]
Другие предположили, что по мере того, как все больше и больше 3D-принтеров начинают появляться в домах людей, традиционные отношения между домом и рабочим местом могут еще больше ослабнуть. [262] Аналогичным образом, также было высказано предположение, что, поскольку предприятиям становится легче передавать проекты новых объектов по всему миру, потребность в высокоскоростных грузовых перевозках также может уменьшиться. [263] Наконец, учитывая легкость, с которой теперь можно копировать некоторые объекты, еще предстоит выяснить, будут ли внесены изменения в действующее законодательство об авторском праве с целью защиты прав интеллектуальной собственности с помощью новой широкодоступной технологии.
Некоторые обращают внимание на сочетание коллективного производства с 3D-печатью и другими недорогими производственными технологиями. [264] [265] [266] Самоподкрепляющаяся фантазия о системе вечного роста может быть преодолена с развитием экономии масштаба, и здесь общество может играть важную роль, способствуя подъему всей производственной структуры на более высокий уровень более устойчивой и индивидуальной производительности. [264] Кроме того, верно, что многие вопросы, проблемы и угрозы возникают из-за демократизации средств производства, и особенно в отношении физических средств. [264] Например, возможность вторичной переработки современных наноматериалов все еще остается под вопросом; производство оружия может стать проще; не говоря уже о последствиях для подделки [267] и интеллектуальной собственности. [268] Можно утверждать, что в отличие от промышленной парадигмы, конкурентная динамика которой была связана с экономией масштаба, коллективное производство 3D-печать могла бы развить экономию масштаба. В то время как преимущества масштаба основаны на дешевой глобальной транспортировке, экономия от масштаба разделяет затраты на инфраструктуру (нематериальные и материальные производственные ресурсы), используя возможности производственных инструментов. [264] И следуя Нилу Гершенфельду [269], который сказал, что «некоторые из наименее развитых частей мира нуждаются в некоторых из самых передовых технологий», основанное на общем ресурсе равноправное производство 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 больше американских мужчин получают страховку по инвалидности, чем занимаются производственной работой на производстве. И все тенденции идут в неправильном направлении, особенно для менее квалифицированных, поскольку способность капитала, воплощающего искусственный интеллект, заменять как белых воротничков, так и синих воротничков будет быстро расти в ближайшие годы». Саммерс рекомендует более энергичные совместные усилия по устранению «множества устройств» (например, налоговых убежищ, банковской тайны, отмывания денег и регулятивного арбитража), позволяющих владельцам большого богатства «платить» подоходный налог и налог на имущество, и сделать более трудным накопление больших состояний без требования «больших социальных взносов» взамен, в том числе: более энергичное соблюдение антимонопольных законов, сокращение «чрезмерной» защиты интеллектуальной собственности, большее поощрение схем распределения прибыли, которые могут принести пользу работникам и дать им долю в накоплении богатства, укрепление коллективных договоренностей, улучшение корпоративного управления, усиление финансового регулирования для устранения субсидий финансовой деятельности, смягчение ограничений на землепользование, которые могут привести к тому, что недвижимость богатых людей будет продолжать расти в цене, лучшее обучение для молодых людей и переподготовка для уволенных работников, а также увеличение государственных и частных инвестиций в развитие инфраструктуры, например, в производство энергии и транспорт. [270]
Майкл Спенс писал, что «Сейчас наступает ... мощная волна цифровых технологий, которая заменяет труд во все более сложных задачах. Этот процесс замещения труда и устранения посредников уже некоторое время идет в секторах услуг — подумайте о банкоматах, онлайн-банкинге, планировании ресурсов предприятия, управлении взаимоотношениями с клиентами, мобильных платежных системах и многом другом. Эта революция распространяется на производство товаров, где роботы и 3D-печать замещают труд». По его мнению, подавляющее большинство затрат на цифровые технологии приходится на начало, на проектирование оборудования (например, 3D-принтеров) и, что еще важнее, на создание программного обеспечения, которое позволяет машинам выполнять различные задачи. «Как только это будет достигнуто, предельная стоимость оборудования станет относительно низкой (и снизится по мере увеличения масштаба), а предельная стоимость копирования программного обеспечения по сути сравняется с нулем. С огромным потенциальным мировым рынком для амортизации первоначальных фиксированных затрат на проектирование и тестирование, стимулы для инвестирования [в цифровые технологии] станут убедительными». [271]
Спенс считает, что в отличие от предыдущих цифровых технологий, которые заставляли компании развертывать недоиспользуемые резервы ценной рабочей силы по всему миру, движущей силой в текущей волне цифровых технологий «является снижение затрат за счет замены рабочей силы». Например, по мере снижения стоимости технологии 3D-печати «легко представить», что производство может стать «крайне» локальным и индивидуальным. Более того, производство может осуществляться в ответ на фактический спрос, а не на ожидаемый или прогнозируемый спрос. Спенс считает, что рабочая сила, какой бы недорогой она ни была, станет менее важным активом для роста и расширения занятости, при этом трудоемкое, ориентированное на процессы производство станет менее эффективным, и что релокализация появится 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 потребуется перестроить свои модели роста вокруг цифровых технологий и человеческого капитала, поддерживающего их развертывание и расширение. Спенс пишет, что «мир, в который мы вступаем, — это мир, в котором наиболее 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) и, вполне возможно, моделях занятости и распределения». [271]
Наоми Ву считает использование 3D-печати в китайских классах (где механическое запоминание является нормой) для обучения принципам дизайна и креативности самым захватывающим из последних достижений технологии и в более общем плане рассматривает 3D-печать как следующую революцию в области настольных издательских систем . [272]
В 2024 году женской группе Хуана Фернандеса был передан в дар принтер , чтобы помочь женщинам в отдаленных районах создавать детали для ремонта сломанного оборудования, не дожидаясь, пока корабль импортирует необходимые компоненты. [273]
Рост аддитивного производства может оказать большое влияние на окружающую среду. Традиционные субтрактивные методы производства, такие как фрезерование с ЧПУ, создают продукты путем отрезания материала от более крупного блока. Напротив, аддитивное производство создает продукты слой за слоем, используя минимально необходимые материалы для создания продукта. [274] Это имеет преимущество в виде сокращения отходов материалов, что дополнительно способствует экономии энергии за счет исключения производства сырья. [275] [276]
Оценка жизненного цикла аддитивного производства показала, что внедрение этой технологии может еще больше снизить выбросы углекислого газа, поскольку 3D-печать создает локализованное производство, тем самым снижая необходимость в транспортировке продукции и связанных с этим выбросах. [277] АМ также может позволить потребителям создавать собственные запасные части для ремонта приобретенных продуктов, чтобы продлить срок их службы. [278]
Выполняя только самые необходимые структурные элементы изделий, аддитивное производство также может внести значительный вклад в снижение веса . [274] Использование этих легких компонентов позволит сократить потребление энергии и выбросы парниковых газов транспортных средств и других видов транспорта. [279] 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 изделия. [280]
Однако внедрение аддитивного производства также имеет экологические недостатки. Во-первых, AM имеет высокое энергопотребление по сравнению с традиционными процессами. Это связано с использованием таких процессов, как лазеры и высокие температуры для создания продукта. [281] Во-вторых, несмотря на то, что аддитивное производство сокращает до 90% отходов по сравнению с субтрактивным производством, AM может генерировать отходы, которые не подлежат переработке. [282] Например, существуют проблемы с переработкой материалов в металлическом AM, поскольку некоторые строго регулируемые отрасли, такие как аэрокосмическая промышленность, часто настаивают на использовании чистого порошка при создании критически важных для безопасности компонентов. [274] Аддитивное производство еще не достигло своего теоретического потенциала эффективности материалов в 97%, но он может приблизиться к этому, поскольку технология продолжает повышать производительность. [283]
Несмотря на недостатки, исследования и промышленность делают дальнейшие шаги для поддержки устойчивости AM. Некоторые крупные FDM-принтеры, которые плавят гранулы полиэтилена высокой плотности (HDPE), могут также принимать достаточно чистый переработанный материал, такой как сколотые молочные бутылки. Кроме того, эти принтеры могут использовать измельченный материал из дефектных сборок или неудачных версий прототипов, тем самым сокращая общие отходы проекта и обработку и хранение материалов. Концепция была исследована в RecycleBot . [284] Существуют также промышленные попытки производить металлический порошок из переработанных металлов. [285]
Определения из Викисловаря
Медиа из Commons
Данные из Викиданных