drukowanie 3d - 3D printing

Drukarka trójwymiarowa
Timelapse trójwymiarowej drukarki w akcji

Druk 3D , czyli produkcja addytywna , to konstrukcja trójwymiarowego obiektu z modelu CAD lub cyfrowego modelu 3D . Termin „druk 3D” może odnosić się do różnych procesów, w których materiał jest osadzany, łączony lub zestalany pod kontrolą komputera w celu stworzenia trójwymiarowego obiektu, przy czym materiał jest dodawany do siebie (takie jak łączone ze sobą tworzywa sztuczne, płyny lub ziarna proszku ), zazwyczaj warstwa po warstwie.

W latach 80. XX wieku techniki druku 3D uważano za odpowiednie tylko do produkcji funkcjonalnych lub estetycznych prototypów, a bardziej odpowiednim określeniem na to w tamtym czasie było szybkie prototypowanie . Od 2019 r. precyzja, powtarzalność i zakres materiałowy druku 3D wzrosły do ​​tego stopnia, że ​​niektóre procesy drukowania 3D są uważane za opłacalne jako technologia produkcji przemysłowej, przy czym termin produkcja addytywna może być używany jako synonim drukowania 3D . Jedną z kluczowych zalet druku 3D jest możliwość wytwarzania bardzo skomplikowanych kształtów lub geometrii, które w innym przypadku byłyby niemożliwe do zbudowania ręcznie, w tym części wydrążonych lub części z wewnętrzną strukturą kratownicy w celu zmniejszenia ciężaru. Modelowanie topionego osadzania (FDM), które wykorzystuje ciągłe włókno materiału termoplastycznego , jest najczęstszym procesem drukowania 3D stosowanym od 2020 roku.

Terminologia

Pojęciem produkcji dodatków (AM) zyskał popularność w 2000 roku, zainspirowany tematem materiału dodawanych razem ( w każdym z różnych sposobów ). W przeciwieństwie do tego, termin produkcja subtraktywna pojawił się jako retronim dla dużej rodziny procesów obróbki , których wspólnym procesem jest usuwanie materiału . Termin drukowanie 3D nadal odnosił się w większości umysłów tylko do technologii polimerowych, a termin AM był częściej używany w kontekście obróbki metali i produkcji części końcowych niż wśród entuzjastów polimerów, drukarek atramentowych lub stereolitografii. Druk atramentowy był najmniej znaną technologią, mimo że został wynaleziony w 1950 roku i słabo rozumiany ze względu na swoją złożoną naturę. Najwcześniejsze drukarki atramentowe były używane jako rejestratory, a nie drukarki. Jeszcze w latach siedemdziesiątych termin rejestrator kojarzył się z atramentem. Ciągły druk atramentowy przekształcił się później w druk atramentowy na żądanie lub atrament na żądanie. Drukarki atramentowe były na początku z pojedynczą dyszą; mogą teraz mieć nawet tysiące dysz do drukowania w każdym przejściu przez powierzchnię.

Na początku 2010 roku terminy drukowanie 3D i produkcja addytywna rozwinęły się w sensie, w którym były alternatywnymi terminami parasolowymi dla technologii addytywnych, z których jeden był używany w popularnym języku przez społeczności twórców konsumentów i media, a drugi był używany bardziej formalnie przez koniec przemysłowy. korzystać z usług producentów części, producentów maszyn i światowych organizacji normalizacyjnych. Do niedawna termin druk 3D był kojarzony z maszynami o niskiej cenie lub możliwościach. Druk 3D i produkcja addytywna odzwierciedlają fakt, że technologie te łączy temat dodawania materiałów lub łączenia w obrębie przestrzeni roboczej 3D pod zautomatyzowaną kontrolą. Peter Zelinski, redaktor naczelny magazynu Additive Manufacturing , zwrócił uwagę w 2017 r., że terminy te nadal często są synonimami w zwykłym użyciu, ale niektórzy eksperci z branży produkcyjnej próbują dokonać rozróżnienia, w którym wytwarzanie addytywne obejmuje druk 3D oraz inne technologie lub inne aspekty procesu produkcyjnego .

Inne terminy, które były używane jako synonimy lub hipernimy , obejmowały produkcję na biurku , szybką produkcję (jako logiczny następca szybkiego prototypowania na poziomie produkcji ) i produkcję na żądanie (co przypomina drukowanie na żądanie w sensie drukowania 2D ). Takie zastosowanie przymiotników „ szybki” i „ na żądanie” do rzeczownika „ produkcja” było nowością w 2000 roku, ujawnia dominujący model mentalny długiej ery przemysłowej, w której prawie cała produkcja produkcyjna wiązała się z długimi czasami realizacji pracochłonnego opracowywania narzędzi. Obecnie termin subtraktywny nie zastąpił terminu obróbka , zamiast tego uzupełnia go, gdy potrzebne jest określenie, które obejmuje dowolną metodę usuwania. Zwinne oprzyrządowanie to wykorzystanie modułowych środków do projektowania oprzyrządowania wytwarzanego metodami wytwarzania przyrostowego lub drukowania 3D w celu umożliwienia szybkiego prototypowania i reagowania na potrzeby w zakresie oprzyrządowania i oprzyrządowania. Zwinne oprzyrządowanie wykorzystuje opłacalną i wysokiej jakości metodę, aby szybko reagować na potrzeby klientów i rynku, i może być stosowane w hydroformowaniu , tłoczeniu , formowaniu wtryskowym i innych procesach produkcyjnych.

Historia

1940 i 1950

Ogólna koncepcja i procedura stosowana w druku 3D została po raz pierwszy opisana przez Murraya Leinstera w jego opowiadaniu Rzeczy przechodzą przez z 1945 roku „Ale ten konstruktor jest zarówno wydajny, jak i elastyczny. Do tego ruchomego ramienia wrzucam magnetronowe tworzywa sztuczne — materiał, z którego obecnie robią domy i statki. Wykonuje rysunki w powietrzu na podstawie rysunków, które skanuje za pomocą fotokomórek. Ale plastik wychodzi z końca ramienia ciągnącego i twardnieje, gdy się pojawia… tylko zgodnie z rysunkami”

Zostało to również opisane przez Raymonda F. Jonesa w jego opowiadaniu „Narzędzia handlu”, opublikowanym w numerze magazynu „Astounding Science Fiction” z listopada 1950 roku. W tej historii nazwał to „sprayem molekularnym”.

lata 70.

W 1971 r. Johannes F Gottwald opatentował urządzenie Liquid Metal Recorder ( patent US 3596285A) , urządzenie do ciągłego druku atramentowego z metalowym materiałem, służące do formowania zdejmowanego wyrobu metalowego na powierzchni wielokrotnego użytku do natychmiastowego użycia lub odzyskane do ponownego nadruku poprzez przetopienie. Wydaje się, że jest to pierwszy patent opisujący drukowanie 3D z szybkim prototypowaniem i kontrolowaną produkcją wzorów na żądanie.

W patencie stwierdza się: „Użyty w niniejszym dokumencie termin drukowanie nie ma ograniczonego znaczenia, ale obejmuje pismo lub inne symbole, tworzenie znaków lub wzorów za pomocą tuszu. Termin tusz stosowany w ma obejmować nie tylko materiały zawierające barwnik lub pigment , ale dowolna płynna substancja lub kompozycja nadająca się do nakładania na powierzchnię w celu tworzenia symboli, znaków lub wzorów inteligencji poprzez znakowanie. Preferowany tusz jest typu topiącego się na gorąco. Zakres dostępnych w handlu kompozycji tuszy, które mogą spełniać wymagania wynalazku nie są obecnie znane. Jednakże zadowalające drukowanie według wynalazku osiągnięto przy użyciu przewodzącego stopu metalu jako tuszu."

„Ale jeśli chodzi o wymagania materiałowe dla tak dużych i ciągłych wyświetlaczy, jeśli są konsumowane w dotychczas znanych cenach, ale wzrastają proporcjonalnie do wzrostu rozmiaru, wysoki koszt poważnie ograniczyłby jakąkolwiek powszechną przyjemność z procesu lub aparatury spełniającej powyższe cele”.

„Dlatego dodatkowym celem wynalazku jest zminimalizowanie zużycia materiałów w procesie wskazanej klasy”.

„Kolejnym celem wynalazku jest, aby materiały użyte w takim procesie zostały odzyskane do ponownego użycia”.

„Według innego aspektu wynalazku, kombinacja do pisania i tym podobne zawiera nośnik do wyświetlania wzoru inteligencji i układ do usuwania wzoru z nośnika”.

W 1974 roku David EH Jones przedstawił koncepcję druku 3D w swoim regularnym felietonie Ariadne w czasopiśmie New Scientist .

lata 80.

Wczesne urządzenia i materiały do ​​wytwarzania przyrostowego zostały opracowane w latach 80. XX wieku.

W kwietniu 1980 r. Hideo Kodama z Miejskiego Przemysłowego Instytutu Badawczego w Nagoya wynalazł dwie metody addytywne do wytwarzania trójwymiarowych modeli z tworzywa sztucznego z fotoutwardzalnego termoutwardzalnego polimeru , w których obszar ekspozycji na promieniowanie UV jest kontrolowany przez wzór maski lub skanujący nadajnik światłowodowy. Złożył patent na ten ploter XYZ, który został opublikowany 10 listopada 1981 r. ( JP S56-144478 ). Jego wyniki badań w formie artykułów w czasopismach ukazały się w kwietniu i listopadzie 1981 r. Jednak seria jego publikacji nie spotkała się z żadną reakcją. Jego urządzenie nie zostało wysoko ocenione w laboratorium, a jego szef nie wykazywał zainteresowania. Jego budżet na badania wynosił zaledwie 60 000 jenów lub 545 dolarów rocznie. Zrezygnowano z nabywania praw patentowych na ploter XYZ, a projekt został zakończony.

Patent US 4323756, Method of Fabricating Article by Sequential Deposition, Raytheon Technologies Corp przyznany 6 kwietnia 1982 r., przy użyciu setek lub tysięcy „warstw” sproszkowanego metalu i źródła energii laserowej, jest wczesnym odniesieniem do formowania „warstw” i wytwarzania artykułów na podłożu.

2 lipca 1984 r. amerykański przedsiębiorca Bill Masters złożył patent na swój komputerowy zautomatyzowany proces i system produkcji ( US 4665492 ). To zgłoszenie jest zarejestrowane w USPTO jako pierwszy patent na drukowanie 3D w historii; był to pierwszy z trzech patentów należących do Masters, który położył podwaliny pod stosowane dziś systemy druku 3D.

16 lipca 1984 Alain Le Méhauté , Olivier de Witte i Jean Claude André złożyli wniosek patentowy na proces stereolitografii . Z aplikacji francuskich wynalazców zrezygnowały francuskie General Electric Company (obecnie Alcatel-Alsthom) i CILAS (The Laser Consortium). Twierdzono, że powodem był „brak perspektywy biznesowej”.

W 1983 r. Robert Howard założył firmę RH Research, później nazwaną Howtek, Inc. w lutym 1984 r., aby opracować kolorową atramentową drukarkę 2D Pixelmaster, skomercjalizowaną w 1986 r., wykorzystującą atrament z tworzywa termoplastycznego (topliwego). Stworzono zespół składający się z 6 członków z Exxon Office Systems, Danbury Systems Division, startującej drukarki atramentowej i kilku członków grupy Howtek, Inc, którzy stali się popularnymi postaciami w branży druku 3D. Jeden z członków Howtek, Richard Helinski, patent US5136515A, Metoda i środki do konstruowania trójwymiarowych artykułów metodą osadzania cząstek, wniosek 11/07/1989 przyznany 8/04/1992 założył firmę CAD-Cast, Inc w New Hampshire, której nazwę zmieniono później na Visual Impact Corporation (VIC) w dniu 22.08.1991 r. Prototyp drukarki 3D VIC dla tej firmy dostępny jest wraz z prezentacją wideo przedstawiającą model 3D wydrukowany atramentem jednodyszowym. Inny pracownik, Herbert Menhennett, założył firmę HM Research w New Hampshire w 1991 roku i przedstawił Howtek, Inc, technologię atramentową i materiały termoplastyczne Roydenowi Sandersowi z SDI i Billowi Mastersowi z Ballistic Particle Manufacturing (BPM), gdzie pracował przez kilka lat. Zarówno drukarki 3D BPM, jak i drukarki 3D SPI wykorzystują materiały atramentowe w stylu Howtek, Inc i Howtek, Inc. Royden Sanders nabył licencję na patent Helinksi przed wyprodukowaniem modelu Modelmaker 6 Pro w prototypie Sanders, Inc (SPI) w 1993 roku. James K. McMahon, który został zatrudniony przez Howtek, Inc do pomocy w rozwoju drukarki atramentowej, później pracował w Sanders Prototype i obecnie obsługuje Layer Grown Model Technology, dostawca usług 3D specjalizujący się w obsłudze jednodyszowych drukarek atramentowych Howtek i drukarek SDI. James K. McMahon współpracował ze Stevenem Zoltanem, wynalazcą drukarek atramentowych typu drop-on-demand w firmie Exxon z 1972 r., i posiada patent w 1978 r., który poszerzył wiedzę o konstrukcjach jednodyszowych drukarek atramentowych (dysze Alpha) i pomógł udoskonalić klej topliwy Howtek, Inc. drukarki atramentowe. Ta technologia termoplastu topliwego Howtek jest popularna w przypadku odlewania metali metodą traconego wosku, zwłaszcza w branży druku 3D biżuterii. Pierwszym klientem firmy Sanders (SDI) Modelmaker 6Pro była firma Hitchner Corporations, Metal Casting Technology, Inc w Milford, NH, milę od zakładu SDI pod koniec 1993-1995 odlewania kijów golfowych i części silników samochodowych.

W dniu 8 sierpnia 1984 r. został złożony patent US4575330, przyznany firmie UVP, Inc., później przypisany Chuckowi Hullowi z 3D Systems Corporation, jego własny patent na system wytwarzania stereolitografii , w którym poszczególne blaszki lub warstwy są dodawane przez utwardzanie fotopolimerów z uderzeniem. promieniowanie, bombardowanie cząsteczkami, reakcja chemiczna lub po prostu lasery światła ultrafioletowego . Hull zdefiniował ten proces jako „system generowania obiektów trójwymiarowych poprzez tworzenie wzoru przekroju poprzecznego obiektu, który ma zostać uformowany”. Wkładem Hull był format plików STL (Stereolithography) oraz cyfrowe strategie krojenia i wypełniania wspólne dla wielu współczesnych procesów. W 1986 roku Charles „Chuck” Hull otrzymał patent na ten system, a jego firma, 3D Systems Corporation, została utworzona, która wydała pierwszą komercyjną drukarkę 3D, SLA-1, później w 1987 lub 1988 roku.

Technologia wykorzystywana do tej pory przez większość drukarek 3D – zwłaszcza modele dla hobbystów i konsumentów – to modelowanie topionego osadzania , specjalne zastosowanie wytłaczania plastiku , opracowane w 1988 roku przez S. Scotta Crumpa i skomercjalizowane przez jego firmę Stratasys , która wprowadziła na rynek swój pierwszy FDM maszyna w 1992 roku.

Posiadanie drukarki 3D w latach 80. kosztowało ponad 300 000 USD (650 000 USD w 2016 roku).

1990

Procesy AM do spiekania lub topienia metali (takie jak selektywne spiekanie laserowe , bezpośrednie spiekanie laserowe metali i selektywne topienie laserowe) zwykle nosiły swoje własne nazwy w latach 80. i 90. XX wieku. W tamtych czasach cała obróbka metali odbywała się w procesach, które obecnie nazywa się bezaddytywnymi ( odlewanie , wytwarzanie , tłoczenie i obróbka skrawaniem ); chociaż w tych technologiach zastosowano dużą automatyzację (m.in. spawanie robotami i CNC ), idea narzędzia lub głowicy poruszającej się w przestrzeni roboczej 3D przekształcającej masę surowca w pożądany kształt ze ścieżką narzędzia kojarzyła się tylko z obróbką metali z procesami, które usuwają metal (zamiast go dodawać), takimi jak frezowanie CNC, CNC EDM i wiele innych. Jednak zautomatyzowane techniki dodawania metalu, które później nazwano wytwarzaniem addytywnym, zaczęły kwestionować to założenie. W połowie lat 90. na Uniwersytecie Stanforda i Carnegie Mellon opracowano nowe techniki osadzania materiałów , w tym mikroodlewanie i natryskiwanie materiałów. Materiały ofiarne i podporowe również stały się bardziej powszechne, umożliwiając tworzenie nowych geometrii obiektów.

Termin Drukowanie 3D początkowo odnosiła się do procesu złoża proszkowego wykorzystującego standardowe i niestandardowe atramentowych głowic drukujących, opracowanych na MIT Emanuel Sachs w 1993 roku i sprzedawany przez Soligen Technologies, Wyciągnięcie Hone Corporation i Z Corporation .

W 1993 roku rozpoczęła się także firma zajmująca się atramentowymi drukarkami 3D, początkowo nazwana Sanders Prototype, Inc, a później Solidscape , wprowadzająca precyzyjny system wytwarzania strumieni polimerowych z rozpuszczalnymi strukturami nośnymi (sklasyfikowany jako technika „kropka na kropkę” ).

W 1995 roku Towarzystwo Fraunhofera opracowało proces selektywnego topienia laserowego .

2000s

Patenty na proces drukowania Fused Deposition Modeling (FDM) wygasły w 2009 roku.

2010s

W miarę dojrzewania różnych procesów addytywnych stało się jasne, że wkrótce usuwanie metalu nie będzie już jedynym procesem obróbki metalu wykonywanym za pomocą narzędzia lub głowicy poruszającej się w przestrzeni roboczej 3D, przekształcającej masę surowca w pożądany kształt warstwa po warstwie. Lata 2010 były pierwszą dekadą, w której metalowe części końcowe, takie jak wsporniki silnika i duże nakrętki, były hodowane (przed lub zamiast obróbki) w produkcji, zamiast obowiązkowo obrabiane z prętów lub płyt. Nadal jest tak, że odlewanie, wytwarzanie, tłoczenie i obróbka skrawaniem są bardziej rozpowszechnione niż wytwarzanie addytywne w obróbce metali, ale AM ​​zaczyna teraz robić znaczące postępy, a dzięki zaletom projektowania pod kątem wytwarzania addytywnego dla inżynierów jest jasne, że więcej ma nadejść.

Jednym z obszarów, w którym AM robi znaczący postęp, jest przemysł lotniczy. Przy prawie 3,8 miliarda podróżnych lotniczych w 2016 r. zapotrzebowanie na oszczędne i łatwe w produkcji silniki odrzutowe nigdy nie było wyższe. Dla dużych producentów OEM (producentów oryginalnego wyposażenia), takich jak Pratt and Whitney (PW) i General Electric (GE), oznacza to poszukiwanie AM jako sposobu na obniżenie kosztów, zmniejszenie liczby niezgodnych części, zmniejszenie masy silników w celu zwiększenia efektywności paliwowej i znaleźć nowe, bardzo złożone kształty, które nie byłyby możliwe przy użyciu przestarzałych metod produkcji. Jednym z przykładów integracji AM z lotnictwem był rok 2016, kiedy Airbus dostarczył pierwszy silnik GE LEAP. Ten silnik ma zintegrowane dysze paliwowe drukowane w 3D, co pozwala na zmniejszenie liczby części z 20 do 1, zmniejszenie masy o 25% i skrócenie czasu montażu. Dysza paliwowa doskonale sprawdza się w transporcie drogowym do wytwarzania przyrostowego w silniku odrzutowym, ponieważ pozwala na zoptymalizowaną konstrukcję złożonych elementów wewnętrznych i jest częścią o niskim naprężeniu, nie obracającą się. Podobnie w 2015 roku PW dostarczyło swoje pierwsze części AM w PurePower PW1500G firmie Bombardier. Trzymając się niskonaprężonych, nie obracających się części, firma PW wybrała stojany sprężarek i wsporniki pierścienia synchronizującego, aby po raz pierwszy wprowadzić tę nową technologię produkcji. Chociaż AM nadal odgrywa niewielką rolę w całkowitej liczbie części w procesie produkcji silników odrzutowych, zwrot z inwestycji jest już widoczny poprzez redukcję części, szybkie możliwości produkcyjne i „zoptymalizowany projekt pod względem wydajności i kosztów ”.

W miarę dojrzewania technologii kilku autorów zaczęło spekulować, że drukowanie 3D może pomóc w zrównoważonym rozwoju w krajach rozwijających się.

W 2012 roku Filabot opracował system zamykania pętli plastikiem i umożliwia każdej drukarce 3D FDM lub FFF możliwość drukowania z szerszej gamy tworzyw sztucznych.

W 2014 roku Benjamin S. Cook i Manos M. Tentzeris zademonstrowali pierwszą wielomateriałową, pionowo zintegrowaną platformę wytwarzania przyrostowego elektroniki drukowanej (VIPRE), która umożliwia drukowanie 3D elektroniki funkcjonalnej działającej z częstotliwością do 40 GHz.

Ponieważ ceny drukarek zaczęły spadać, osoby zainteresowane tą technologią miały większy dostęp i swobodę tworzenia tego, co chciały. Cena w 2014 r. była nadal wysoka, a koszt przekraczał 2000 USD, ale nadal pozwalało hobbystom na wejście do drukowania poza metodami produkcyjnymi i przemysłowymi.

Termin „druk 3D” pierwotnie odnosił się do procesu, w którym warstwa po warstwie nanosi materiał wiążący na łoże proszkowe za pomocą głowic drukarki atramentowej. Niedawno w popularnym języku narodowym termin ten zaczął obejmować szerszą gamę technik wytwarzania przyrostowego, takich jak wytwarzanie przyrostowe za pomocą wiązki elektronów i selektywne topienie laserowe. Stany Zjednoczone i światowe standardy techniczne używają oficjalnego terminu „ produkcja addytywna” w tym szerszym znaczeniu.

Najczęściej stosowanym procesem drukowania 3D (46% od 2018 r.) jest technika wytłaczania materiału zwana modelowaniem topionego osadzania lub FDM. Chociaż technologia FDM została wynaleziona po dwóch innych najpopularniejszych technologiach, stereolitografii (SLA) i selektywnym spiekaniu laserowym (SLS), FDM jest zazwyczaj najtańszą z tych trzech z dużym marginesem, co przyczynia się do popularności tego procesu.

2020s

Od 2020 roku drukarki 3D osiągnęły poziom jakości i ceny, który pozwala większości ludzi wejść w świat druku 3D. W 2020 roku drukarki przyzwoitej jakości można znaleźć za mniej niż 200 USD za maszyny klasy podstawowej. Te tańsze drukarki są zwykle drukarkami do modelowania osadzania topionego (FDM).

Ogólne zasady

Modelowanie

Model CAD używany do druku 3D
Modele 3D można generować ze zdjęć 2D wykonanych w fotobudce 3D.

Modele do druku 3D można tworzyć za pomocą pakietu do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), za pomocą skanera 3D lub zwykłego aparatu cyfrowego i oprogramowania do fotogrametrii . Drukowane modele 3D utworzone za pomocą CAD powodują stosunkowo mniej błędów niż inne metody. Błędy w modelach do druku 3D można zidentyfikować i skorygować przed drukowaniem. Proces ręcznego modelowania polegający na przygotowaniu danych geometrycznych do grafiki komputerowej 3D jest podobny do sztuk plastycznych, takich jak rzeźbienie. Skanowanie 3D to proces zbierania danych cyfrowych o kształcie i wyglądzie rzeczywistego obiektu, tworząc na jego podstawie model cyfrowy.

Modele CAD można zapisywać w formacie pliku stereolitografii (STL) , który jest de facto formatem plików CAD do wytwarzania przyrostowego, który przechowuje dane oparte na triangulacjach powierzchni modeli CAD. STL nie jest przystosowany do wytwarzania przyrostowego, ponieważ generuje duże rozmiary plików części zoptymalizowanych pod względem topologii i struktur kratowych ze względu na dużą liczbę zaangażowanych powierzchni. Nowszy format pliku CAD, format Additive Manufacturing File (AMF) został wprowadzony w 2011 roku, aby rozwiązać ten problem. Przechowuje informacje za pomocą zakrzywionych triangulacji.

Druk

Przed wydrukowaniem modelu 3D z pliku STL należy go najpierw sprawdzić pod kątem błędów. Większość aplikacji CAD generuje błędy w wyjściowych plikach STL następujących typów:

  1. otwory
  2. twarze normalne
  3. samoskrzyżowania
  4. muszle dźwiękowe
  5. wielorakie błędy
  6. problemy z nawisem

Krok w generacji STL znany jako „naprawa” naprawia takie problemy w oryginalnym modelu. Ogólnie rzecz biorąc, STL, które zostały utworzone z modelu uzyskanego w wyniku skanowania 3D, często zawierają więcej tych błędów, ponieważ skanowanie 3D jest często osiągane przez akwizycję/mapowanie punkt do punktu. Rekonstrukcja 3D często zawiera błędy.

Po zakończeniu plik STL musi zostać przetworzony przez oprogramowanie zwane „slicerem”, które przekształca model w serię cienkich warstw i tworzy plik z kodem G zawierający instrukcje dostosowane do konkretnego typu drukarki 3D ( FDM drukarki ). Ten plik z kodem G można następnie wydrukować za pomocą oprogramowania klienckiego do drukowania 3D (które ładuje kod G i używa go do instruowania drukarki 3D podczas procesu drukowania 3D).

Rozdzielczość drukarki opisuje grubość warstwy i rozdzielczość X–Y w punktach na cal (dpi) lub mikrometrach (µm). Typowa grubość warstwy wynosi około 100 μm (250  DPI ), chociaż niektóre maszyny mogą drukować warstwy o grubości nawet 16 μm (1600 DPI). Rozdzielczość X–Y jest porównywalna z rozdzielczością drukarek laserowych . Cząsteczki (kropki 3D) mają średnicę około 50 do 100 μm (510 do 250 DPI). Dla tej rozdzielczości drukarki określenie rozdzielczości siatki 0,01–0,03 mm i długości cięciwy ≤ 0,016 mm generuje optymalny plik wyjściowy STL dla danego pliku wejściowego modelu. Określenie wyższej rozdzielczości skutkuje większymi plikami bez wzrostu jakości druku.

3:31 Timelapse 80-minutowego filmu przedstawiającego obiekt wykonany z PLA przy użyciu osadzania stopionego polimeru

Budowa modelu współczesnymi metodami może trwać od kilku godzin do kilku dni, w zależności od zastosowanej metody oraz wielkości i złożoności modelu. Systemy dodatków mogą zazwyczaj skrócić ten czas do kilku godzin, chociaż różni się on znacznie w zależności od typu używanej maszyny oraz wielkości i liczby produkowanych jednocześnie modeli.

Wykończeniowy

Chociaż rozdzielczość produkowana przez drukarkę jest wystarczająca dla wielu zastosowań, większą dokładność można osiągnąć, drukując nieco powiększoną wersję żądanego obiektu w standardowej rozdzielczości, a następnie usuwając materiał przy użyciu procesu subtraktywnego o wyższej rozdzielczości.

Warstwowa struktura wszystkich procesów wytwarzania przyrostowego prowadzi nieuchronnie do efektu stopniowania na powierzchniach części, które są zakrzywione lub pochylone w stosunku do platformy budowlanej. Efekty silnie zależą od orientacji powierzchni części wewnątrz procesu budowlanego.

Niektóre polimery nadające się do druku, takie jak ABS , umożliwiają wygładzenie i poprawę wykończenia powierzchni za pomocą procesów chemicznych z parą na bazie acetonu lub podobnych rozpuszczalników.

Niektóre techniki wytwarzania przyrostowego umożliwiają wykorzystanie wielu materiałów w trakcie konstruowania części. Techniki te są w stanie drukować w wielu kolorach i kombinacjach kolorów jednocześnie i niekoniecznie wymagają malowania.

Niektóre techniki drukowania wymagają zbudowania wewnętrznych podpór w celu wystających elementów podczas budowy. Podpory te muszą być mechanicznie usunięte lub rozpuszczone po zakończeniu druku.

Wszystkie skomercjalizowane metalowe drukarki 3D wymagają odcięcia metalowego komponentu od metalowego podłoża po osadzeniu. Nowy proces drukowania 3D GMAW pozwala na modyfikacje powierzchni podłoża w celu usunięcia aluminium lub stali .

Materiały

Szczegół Stoofbrug w Amsterdamie, pierwszego na świecie metalowego mostu wydrukowanego w 3D.

Tradycyjnie druk 3D koncentrował się na polimerach do drukowania, ze względu na łatwość wytwarzania i obsługi materiałów polimerowych. Jednak metoda ta szybko ewoluowała, aby nie tylko drukować różne polimery, ale także metale i ceramikę , dzięki czemu drukowanie 3D jest wszechstronną opcją w produkcji. Produkcja warstw po warstwie trójwymiarowych modeli fizycznych to nowoczesna koncepcja, która „wywodzi się z ciągle rozwijającej się branży CAD, a dokładniej z modelowania bryłowego w CAD. Zanim modelowanie bryłowe zostało wprowadzone pod koniec lat 80., modele trójwymiarowe zostały stworzone z drucianych ram i powierzchni." ale we wszystkich przypadkach warstwy materiałów są kontrolowane przez drukarkę i właściwości materiału. Trójwymiarowa warstwa materiału jest kontrolowana przez szybkość nanoszenia ustawioną przez operatora drukarki i zapisaną w pliku komputerowym. Najwcześniejszym drukowanym opatentowanym materiałem był atrament typu Hot melt do drukowania wzorów przy użyciu rozgrzanego stopu metalu. Zobacz historię lat 70 powyżej.

Charles Hull złożył pierwszy patent w dniu 8 sierpnia 1984 r., Aby użyć żywicy akrylowej utwardzanej promieniami UV przy użyciu źródła światła z maską UV w firmie UVP Corp do zbudowania prostego modelu. SLA-1 był pierwszym produktem SL ogłoszonym przez 3D Systems na targach Autofact Exposition w Detroit w listopadzie 1978 roku w Detroit. SLA-1 Beta został wysłany w styczniu 1988 roku do Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors i AMP. Pierwsza produkcyjna SLA-1 została wysłana do Precision Castparts w kwietniu 1988 roku. Materiał żywiczny UV szybko zmienił się w żywicę epoksydową. W obu przypadkach modele SLA-1 wymagały utwardzania w piecu UV po spłukaniu rozpuszczalnikiem w celu usunięcia nieutwardzonej żywicy granicznej. Wraz ze wszystkimi systemami sprzedawano urządzenie Post Cure Apparatus (PCA). Wczesne drukarki żywiczne wymagały ostrza do przesuwania świeżej żywicy po modelu na każdej warstwie. Grubość warstwy wynosiła 0,006 cala, a model lasera HeCd SLA-1 miał 12 watów i przesuwał się po powierzchni z prędkością 30 cali na sekundę. UVP została przejęta przez 3D Systems w styczniu 1990 roku.

Przegląd historii pokazuje, że wiele materiałów (żywice, proszek z tworzywa sztucznego, włókno z tworzywa sztucznego i topliwy tusz do tworzyw sztucznych) zostało użytych w latach 80. XX wieku do patentów w dziedzinie szybkiego prototypowania. Zamaskowana żywica utwardzana promieniami UV została również wprowadzona przez Cubital Itzchak Pomerantz w Soldier 5600, spiekane laserowo proszki termoplastyczne Carla Deckarda (DTM) i papier cięty laserowo (LOM) ułożony w stosy w celu uformowania obiektów przez Michaela Feygina, zanim 3D Systems stworzyło swój pierwszy zapowiedź. Scott Crump pracował również nad modelowaniem wytłaczanego „topionego” tworzywa sztucznego (FDM), a osadzanie kroplowe zostało opatentowane przez Williama E Mastersa tydzień po patencie Charlesa Hulla w 1984 roku, ale musiał odkryć termoplastyczne atramenty wprowadzone przez drukarkę 3D Visual Impact Corporation w 1992 przy użyciu drukarek atramentowych firmy Howtek, Inc., zanim założył BPM, aby w 1994 roku wprowadzić na rynek własną drukarkę 3D.

Druk 3D z wielu materiałów

Wieloskładnikowy materiał 3DBenchy .

Wysiłki zmierzające do uzyskania druku 3D z wielu materiałów sięgają od ulepszonych procesów podobnych do FDM, takich jak VoxelJet, po nowatorskie technologie drukowania oparte na wokselach, takie jak montaż warstwowy .

Wadą wielu istniejących technologii druku 3D jest to, że umożliwiają one drukowanie tylko jednego materiału na raz, co ogranicza wiele potencjalnych zastosowań, które wymagają integracji różnych materiałów w tym samym przedmiocie. Druk 3D z wielu materiałów rozwiązuje ten problem, umożliwiając wytwarzanie obiektów o złożonych i niejednorodnych układach materiałów za pomocą jednej drukarki. Tutaj materiał musi być określony dla każdego woksela (lub elementu piksela druku 3D) wewnątrz końcowej objętości obiektu.

Proces ten może być jednak obarczony komplikacjami ze względu na izolowane i monolityczne algorytmy. Niektóre komercyjne urządzenia próbowały rozwiązać te problemy, na przykład budowanie translatora Spec2Fab, ale postęp jest nadal bardzo ograniczony. Niemniej jednak w branży medycznej zaprezentowano koncepcję tabletek i szczepionek drukowanych w 3D. Dzięki tej nowej koncepcji można łączyć wiele leków, co zmniejszy wiele zagrożeń. Wraz z coraz większą liczbą zastosowań druku 3D z wielu materiałów, koszty codziennego życia i rozwoju zaawansowanych technologii staną się nieuchronnie niższe.

Prowadzone są również badania materiałów metalograficznych do druku 3D. Klasyfikując każdy materiał, CIMP-3D może systematycznie wykonywać druk 3D z wielu materiałów.

Techniki druku 3D

Istnieją różne rodzaje druku 3D w zależności od wymiarów, szczegółowości i zakresu projektu. Każda zupełnie inna odmiana drukarki może się nieznacznie różnić, jednak obiekt AN zostanie zapisany.

  • Fused Deposition Modeling (FDM) jest prawdopodobnie najbardziej rozpowszechnionym rodzajem druku 3D. Jest to niewiarygodnie pomocne przy tworzeniu prototypów i modeli z tworzywa sztucznego.
  • Technologia stereolitografii (SLA) może być rodzajem szybkiego prototypowania, który najlepiej nadaje się do drukowania w bizantyjskich szczegółach. Drukarka wykorzystuje ultrafioletowe urządzenie optyczne AN do tworzenia obiektów w odstępach godzinowych.
  • Digital light-weight process (DLP) to jedna z najstarszych odmian druku 3D. DLP wykorzystuje lampy, aby zapewnić wydruki z większą prędkością niż drukowanie SLA, ponieważ warstwy wysychają w ciągu kilku sekund.
  • Continuous Liquid Interface Production (CLIP) to jeden z szybszych procesów wykorzystujących fotopolimeryzację kadzi. Metoda CLIP wykorzystuje technologię cyfrowej syntezy lekkiej do projekcji sekwencji obrazów promieniowania ultrafioletowego w przekroju połówki zapisanej w 3D, co prowadzi do dokładnie kontrolowanego {utwardzania|utwardzania|krzepnięcia|zestalania|układu|metody naturalnej|naturalnego działania |działanie|działanie}. Połówka jest następnie pieczona w bardzo termicznej wannie lub urządzeniu kuchennym, wywołując wiele reakcji chemicznych, które umożliwiają jej utwardzenie.
  • Strumienie materiału nakładają kropelki tkaniny przez dyszę o małej średnicy warstwa po warstwie, tworząc platformę, która zostaje utwardzona przez promieniowanie {uv|ultrafiolet|ultrafioletowe|światło ultrafioletowe|oświetlenie ultrafioletowe|UV|promieniowanie aktyniczne|promieniowanie aktyniczne}.
  • Tryskanie spoiwa wykorzystuje proszkowy materiał bazowy rozłożony równomiernie z boku ciekłego spoiwa, który jest nakładany przez dysze strumieniowe, aby działał jako klej AN dla cząstek proszku.
  • Fused Deposition Modeling (FDM) (nazywane również skonsolidowanym wytwarzaniem włókien (FFF)) działa poprzez przesuwanie plastikowego filamentu ze szpuli i przepływanie przez rozgrzaną dyszę w kierunku poziomym i pionowym, tworząc element prosto, ponieważ rozpuszczony materiał twardnieje.
  • Typ Powder Bed Fusion, selektywne urządzenie optyczne do spiekania (SLS) łączy małe cząstki proszku za pomocą wysokonapięciowego urządzenia optycznego, tworząc trójwymiarową formę. Urządzenie optyczne skanuje każdą warstwę na łożu proszku i poprzez selekcję łączy je, następnie obniża łoże proszku o jedną grubość i powtarza tę metodę do końca.
  • Inny typ Powder Bed Fusion, Multi-Jet Fusion (MJF) wykorzystuje ramię zamiatające do nakładania proszku ORAZ ramię wyposażone w atrament do stosowania spoiwa przez selekcję na wysokim poziomie. Następnie, w celu uzyskania dokładności, wokół środka uszczegóławiającego nakłada się środek uszczegóławiający. Wreszcie energia cieplna jest stosowana w celu spowodowania zmiany chemicznej. Urządzenie optyczne Direct Metal Sintering (DMLS) dodatkowo wykorzystuje tę samą metodę, ale w szczególności w przypadku proszku metalicznego.
  • Laminowanie arkuszy wiąże materiał w arkuszach siłą zewnętrzną i zgrzewa je wzdłuż niesłyszalnego mocowania. Jednostka powierzchni arkusza następnie przetwarzana w samej maszynie CNC, aby stworzyć formę obiektu.
  • Ukierunkowane osadzanie energii jest powszechne w handlu metalami i działa za pomocą sprzętu do drukowania 3D podłączonego do wieloosiowego ramienia robota z dyszą do nakładania proszku metalowego. Proszek jest nakładany na powierzchnię i źródło energii, które następnie topi tkaninę, tworząc solidny przedmiot.

Druk 4D

Wykorzystanie druku 3D i struktur wielomateriałowych w produkcji addytywnej pozwoliło na zaprojektowanie i stworzenie tak zwanego druku 4D. Druk 4D to proces wytwarzania przyrostowego, w którym drukowany przedmiot zmienia kształt pod wpływem czasu, temperatury lub innego rodzaju stymulacji. Druk 4D pozwala na tworzenie dynamicznych struktur o regulowanych kształtach, właściwościach czy funkcjonalności. Materiały reagujące na inteligentne / bodźce, które są tworzone za pomocą drukowania 4D, można aktywować w celu stworzenia obliczonych odpowiedzi, takich jak samoorganizacja, samonaprawa, wielofunkcyjność, rekonfiguracja i zmiana kształtu. Pozwala to na indywidualne drukowanie materiałów zmieniających kształt i z pamięcią kształtu.

Druk 4D ma potencjał, aby znaleźć nowe zastosowania i zastosowania materiałów (tworzywa sztuczne, kompozyty, metale itp.) i stworzy nowe stopy i kompozyty, które wcześniej nie były opłacalne. Wszechstronność tej technologii i materiałów może prowadzić do postępów w wielu dziedzinach przemysłu, w tym kosmicznej, handlowej i medycznej. Powtarzalność, precyzja i zakres materiałów do druku 4D muszą wzrosnąć, aby proces stał się bardziej praktyczny w tych branżach. 

Aby stać się opłacalną opcją produkcji przemysłowej, istnieje kilka wyzwań, którym druk 4D musi sprostać. Wyzwania związane z drukowaniem 4D obejmują fakt, że mikrostruktury tych drukowanych inteligentnych materiałów muszą być zbliżone lub lepsze niż części uzyskane w tradycyjnych procesach obróbki. Należy opracować nowe i dostosowywalne materiały, które będą w stanie konsekwentnie reagować na różne bodźce zewnętrzne i zmieniać swój pożądany kształt. Istnieje również potrzeba zaprojektowania nowego oprogramowania dla różnych rodzajów technik druku 4D. Oprogramowanie do drukowania 4D będzie musiało uwzględniać podstawowy inteligentny materiał, technikę drukowania oraz wymagania strukturalne i geometryczne projektu.

Procesy i drukarki

Istnieje wiele różnych markowych procesów wytwarzania przyrostowego , które można podzielić na siedem kategorii:

Schematyczne przedstawienie techniki drukowania 3D znanej jako Fused Filament Fabrication; włókno a) z tworzywa sztucznego jest podawane przez ogrzaną ruchomą głowicę b), która topi się i wytłacza je, układając je warstwa po warstwie w pożądany kształt c) . Ruchoma platforma e) obniża się po nałożeniu każdej warstwy. W przypadku tego rodzaju technologii potrzebne są dodatkowe pionowe konstrukcje wsporcze d) do podtrzymywania zwisających części

Główne różnice między procesami dotyczą sposobu nakładania warstw w celu wytworzenia części oraz stosowanych materiałów. Każda metoda ma swoje zalety i wady, dlatego niektóre firmy oferują wybór proszku i polimeru do materiału użytego do budowy obiektu. Inni czasami używają standardowego, gotowego papieru biznesowego jako materiału budulcowego do produkcji trwałego prototypu. Głównymi względami przy wyborze maszyny są generalnie szybkość, koszty drukarki 3D, drukowanego prototypu, wybór i koszt materiałów oraz możliwości kolorystyczne. Drukarki pracujące bezpośrednio z metalami są zazwyczaj drogie. Jednak do wykonania formy można użyć tańszych drukarek, z których następnie wykonuje się części metalowe.

ISO/ASTM52900-15 definiuje siedem kategorii procesów wytwarzania addytywnego (AM) w swoim znaczeniu: natryskiwanie spoiwa, ukierunkowane osadzanie energii, wytłaczanie materiału, natryskiwanie materiału, stapianie złoża proszkowego, laminowanie arkuszy i fotopolimeryzacja kadzi.

Pierwszy proces, w którym trójwymiarowy materiał jest osadzany w celu utworzenia obiektu, został wykonany za pomocą technologii Material Jetting lub jak to pierwotnie nazywano osadzaniem cząstek. Osadzanie cząstek za pomocą druku atramentowego rozpoczęło się najpierw od technologii Continuous Inkjet (CIT) (lata pięćdziesiąte XX wieku), a później od technologii druku atramentowego na żądanie (lata siedemdziesiąte XX wieku) przy użyciu atramentów topliwych. Atramenty woskowe były pierwszymi materiałami trójwymiarowymi, a później metalem stopowym o niskiej temperaturze wytryskiwano metodą CIT. Następnie DOD wypuściło termotopliwe woski i termoplastyczne kleje termotopliwe. Obiekty były bardzo małe i zaczynały się od znaków tekstowych i cyfr do oznakowania. Obiekt musi mieć formę i może być obsługiwany. Znaki woskowe spadały z papierowych dokumentów i zainspirowały patent Liquid Metal Recorder do tworzenia metalowych znaków do oznakowania w 1971 roku. Kolorowe atramenty termoplastyczne (CMYK) drukowane z warstwami każdego koloru, tworząc pierwsze cyfrowo uformowane obiekty warstwowe w 1984 r. Idea odlewania metodą traconego wosku z obrazami lub wzorami wykonanymi w technologii Solid-Ink w 1984 r. doprowadziło do pierwszego patentu na formowanie artykułów z osadzania cząstek w 1989 r., wydanego w 1992 r.

Niektóre metody topią lub zmiękczają materiał w celu wytworzenia warstw. W produkcji Fused filament , znanym również jako Fused Deposition Modeling (FDM), model lub część jest wytwarzana przez wytłaczanie małych kulek lub strumieni materiału, który natychmiast twardnieje, tworząc warstwy. Filament z termoplastycznego , metalowego drutu lub innego materiału podawany jest do głowicy z dyszą wytłaczającą ( wytłaczarka do drukarki 3D ), która podgrzewa materiał oraz włącza i wyłącza przepływ. FDM jest nieco ograniczony pod względem zmienności kształtów, które mogą być wytwarzane. Inna technika łączy części warstwy, a następnie przesuwa się w górę w obszarze roboczym, dodając kolejną warstwę granulek i powtarzając proces, aż kawałek się zbuduje. Proces ten wykorzystuje niestopione media do podtrzymywania nawisów i cienkich ścianek w produkowanej części, co zmniejsza potrzebę tymczasowych podpór pomocniczych dla elementu. Ostatnio FFF/FDM rozszerzył się na druk 3D bezpośrednio z granulek, aby uniknąć konwersji na filament. Proces ten nazywa się wytwarzaniem stopionych cząstek (FPF) (lub wytwarzaniem stopionego granulatu (FGF) i może wykorzystywać więcej materiałów pochodzących z recyklingu.

Techniki Powder Bed Fusion lub PBF obejmują kilka procesów, takich jak DMLS , SLS , SLM, MJF i EBM . Procesy Powder Bed Fusion mogą być stosowane z szeroką gamą materiałów, a ich elastyczność pozwala na tworzenie geometrycznie złożonych struktur, co sprawia, że ​​jest to wybór dla wielu projektów druku 3D. Techniki te obejmują selektywne spiekanie laserowe metali i polimerów oraz bezpośrednie spiekanie laserowe metali . Selektywne topienie laserowe nie wykorzystuje spiekania do stapiania granulek proszku, ale całkowicie stopi proszek za pomocą lasera o wysokiej energii, aby utworzyć całkowicie gęste materiały metodą warstwową, która ma właściwości mechaniczne podobne do właściwości konwencjonalnie wytwarzanych metali. Podobnym rodzajem technologii wytwarzania przyrostowego części metalowych (np. stopów tytanu ) jest topienie wiązką elektronów . EBM produkuje części poprzez topienie warstwy po warstwie proszku metalowego za pomocą wiązki elektronów w wysokiej próżni. Inną metodą jest system druku atramentowego 3D , który tworzy model warstwa po warstwie, rozprowadzając warstwę proszku ( tynku lub żywic ) i drukując spoiwo w przekroju części w procesie podobnym do atramentowego. Przy produkcji przedmiotów laminowanych cienkie warstwy są przycinane do kształtu i łączone ze sobą. Oprócz wcześniej wspomnianych metod firma HP opracowała technologię Multi Jet Fusion (MJF), która jest techniką na bazie proszków, jednak bez użycia laserów. Matryca do drukarek atramentowych nakłada środki utrwalające i detalujące, które są następnie łączone przez ogrzewanie, aby utworzyć stałą warstwę.

Schematyczne przedstawienie stereolitografii; urządzenie emitujące światło a) (laser lub DLP ) selektywnie oświetla przezroczyste dno c) zbiornika b) wypełnionego ciekłą żywicą fotopolimeryzującą; zestalona żywica d) jest stopniowo wciągana przez platformę podnoszącą e)

Inne metody utwardzają płynne materiały przy użyciu różnych zaawansowanych technologii, takich jak stereolitografia . Fotopolimeryzację stosuje się przede wszystkim w stereolitografii do wytwarzania części stałych z cieczy. Systemy drukarek atramentowych, takie jak system Objet PolyJet , natryskują materiały fotopolimerowe na tacę roboczą ultracienkimi warstwami (od 16 do 30 µm) aż do ukończenia części. Każda warstwa fotopolimeru po natryśnięciu jest utwardzana światłem UV, dzięki czemu uzyskuje się w pełni utwardzone modele, które można manipulować i używać natychmiast, bez dodatkowego utwardzania. Ultramałe elementy można wykonać za pomocą techniki mikrowytwarzania 3D stosowanej w fotopolimeryzacji wielofotonowej . Ze względu na nieliniowy charakter fotowzbudzenia żel utwardza ​​się do postaci stałej tylko w miejscach skupienia lasera, a pozostały żel jest następnie wypłukiwany. Łatwo można wytwarzać elementy o rozmiarach poniżej 100 nm, a także złożone struktury z ruchomymi i połączonymi częściami. Jeszcze inne podejście wykorzystuje żywicę syntetyczną, która jest zestalana za pomocą diod LED .

W stereolitografii opartej na maskowaniu obrazu i projekcji cyfrowy model 3D jest dzielony przez zestaw płaszczyzn poziomych. Każdy plasterek jest przekształcany w dwuwymiarowy obraz maski. Obraz maski jest następnie rzutowany na powierzchnię fotoutwardzalnej ciekłej żywicy, a światło jest rzucane na żywicę, aby utwardzić ją w kształcie warstwy. Ciągła produkcja ciekłego interfejsu rozpoczyna się od puli płynnej żywicy fotopolimerowej . Część dna basenu jest przezroczysta dla światła ultrafioletowego („okno”), co powoduje krzepnięcie żywicy. Obiekt unosi się na tyle wolno, aby żywica mogła przepływać pod i utrzymywać kontakt z dnem obiektu. W procesie osadzania za pomocą kierowanej energii za pomocą proszku, laser o dużej mocy jest używany do topienia proszku metalowego dostarczanego do ogniska wiązki laserowej. Proces ukierunkowanej energii z podawaniem proszkowym jest podobny do selektywnego spiekania laserowego, ale proszek metalowy jest nakładany tylko tam, gdzie materiał jest dodawany do części w danym momencie.

W grudniu 2017 r. na rynku dostępne były systemy wytwarzania przyrostowego, których cena wahała się od 99 do 500 000 USD i były wykorzystywane m.in. w przemyśle lotniczym, architektonicznym, motoryzacyjnym, obronnym i medycznym. Na przykład General Electric używa wysokiej klasy drukarek 3D do budowy części do turbin . Wiele z tych systemów jest używanych do szybkiego prototypowania, zanim zostaną zastosowane metody produkcji masowej. Szkolnictwo wyższe okazało się być głównym nabywcą stacjonarnych i profesjonalnych drukarek 3D, które eksperci branżowi ogólnie postrzegają jako pozytywny wskaźnik. Biblioteki na całym świecie stały się również lokalizacjami, w których mieszczą się mniejsze drukarki 3D, z dostępem edukacyjnym i społecznościowym. Kilka projektów i firm stara się opracować niedrogie drukarki 3D do użytku domowego. Wiele z tych prac było kierowanych i kierowanych do społeczności majsterkowiczów / twórców / entuzjastów / wczesnych użytkowników , z dodatkowymi powiązaniami ze społecznościami akademickimi i hakerskimi .

Obliczeniowa litografia osiowa to metoda druku 3D oparta na skanach tomografii komputerowej w celu tworzenia odbitek w żywicy fotoutwardzalnej. Został opracowany we współpracy Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley z Lawrence Livermore National Laboratory . W przeciwieństwie do innych metod druku 3D nie buduje modeli poprzez nakładanie warstw materiału, takich jak modelowanie topionego osadzania i stereolitografia , zamiast tego tworzy obiekty za pomocą serii obrazów 2D rzutowanych na cylinder z żywicy. Charakteryzuje się zdolnością do budowy obiektu znacznie szybciej niż innymi metodami wykorzystującymi żywice oraz możliwością osadzania obiektów w odbitkach.

Wytwarzanie addytywne w płynie (LAM) to technika drukowania 3D, która nakłada płynny lub o wysokiej lepkości materiał (np. płynną gumę silikonową) na powierzchnię konstrukcyjną, aby stworzyć przedmiot, który następnie jest wulkanizowany za pomocą ciepła w celu utwardzenia przedmiotu. Proces został pierwotnie stworzony przez Adriana Bowyera, a następnie został opracowany przez niemiecki RepRap.

Aplikacje

Audi RSQ powstał z szybkiego prototypowania przemysłowy KUKA roboty
3D selfie w skali 1:20 nadruków w procesie drukowania na bazie gipsu
Wydrukowany w 3D model silnika odrzutowego
Emaliowana ceramika drukowana w 3D
Naszyjnik z nadrukiem 3D
Wydrukowana w 3D rzeźba egipskiego faraona pokazana w Threeding

W obecnym scenariuszu drukowanie 3D lub produkcja addytywna jest stosowana w sektorach produkcji, medycyny, przemysłu i społeczno-kulturowym (dziedzictwo kulturowe itp.), co ułatwia drukowanie 3D lub wytwarzanie addytywne, aby stać się skuteczną technologią komercyjną. Ostatnio druk 3D jest również wykorzystywany w sektorze humanitarnym i rozwojowym do produkcji szeregu artykułów medycznych, protez, części zamiennych i napraw. Najwcześniejsze zastosowanie wytwarzania przyrostowego miało miejsce na końcu spektrum produkcyjnego narzędzi . Na przykład, szybkie prototypowanie było jednym z najwcześniejszych wariantów addytywnych, a jego misją było skrócenie czasu i kosztów opracowywania prototypów nowych części i urządzeń, co wcześniej było realizowane tylko za pomocą subtraktywnych metod narzędziowych, takich jak frezowanie CNC, toczenie i precyzyjne szlifowanie. W latach 2010-tych produkcja addytywna weszła do produkcji w znacznie większym stopniu.

Przemysł spożywczy

Wytwarzanie przyrostowe żywności rozwija się poprzez wyciskanie żywności warstwa po warstwie w trójwymiarowe obiekty. Odpowiednimi kandydatami jest duża różnorodność produktów spożywczych, takich jak czekolada i cukierki oraz produkty płaskie, takie jak krakersy, makarony i pizza. NASA przygląda się technologii, aby stworzyć żywność drukowaną w 3D, aby ograniczyć marnowanie żywności i produkować żywność, która jest dostosowana do potrzeb żywieniowych astronautów. W 2018 roku włoski bioinżynier Giuseppe Scionti opracował technologię pozwalającą na generowanie włóknistych, roślinnych analogów mięsa za pomocą niestandardowej biodrukarki 3D , naśladującej teksturę mięsa i wartości odżywcze.

Branża modowa

Druk 3D wkroczył do świata odzieży, a projektanci mody eksperymentują z wydrukowanymi w 3D bikini , butami i sukienkami. W produkcji komercyjnej Nike wykorzystuje druk 3D do prototypowania i produkcji butów piłkarskich Vapor Laser Talon 2012 dla graczy futbolu amerykańskiego, a New Balance produkuje niestandardowe buty dla sportowców w 3D. Druk 3D doszedł do punktu, w którym firmy drukują okulary konsumenckie z niestandardowym dopasowaniem i stylizacją na żądanie (chociaż nie mogą drukować soczewek). Personalizacja okularów na żądanie jest możliwa dzięki szybkiemu prototypowaniu.

Vanessa Friedman, dyrektor ds. mody i główny krytyk mody w The New York Times , mówi, że drukowanie 3D będzie miało znaczną wartość dla firm modowych, zwłaszcza jeśli przekształci się w narzędzie do samodzielnego drukowania dla kupujących. „Istnieje prawdziwe poczucie, że nie nastąpi to w najbliższym czasie”, mówi, „ale tak się stanie i spowoduje dramatyczną zmianę w sposobie myślenia zarówno o własności intelektualnej, jak io tym, jak wygląda łańcuch dostaw”. Dodaje: „Z pewnością niektóre z wytworów, z których mogą korzystać marki, zostaną radykalnie zmienione przez technologię”.

Przemysł transportowy

Stoofbrug w Amsterdamie pierwszy na świecie 3D wydrukowany metalowy most

W samochodach, ciężarówkach i samolotach produkcja przyrostowa zaczyna przekształcać zarówno (1) projektowanie i produkcję jednokadłubowych i kadłubów, jak i (2) projektowanie i produkcję układów napędowych . Na przykład:

  • Na początku 2014 roku szwedzki producent supersamochodów Koenigsegg ogłosił One:1, supersamochód, który wykorzystuje wiele komponentów, które zostały wydrukowane w 3D. Urbee to nazwa pierwszego na świecie samochodu montowanego w technologii druku 3D (jego karoseria i szyby zostały „wydrukowane”).
  • W 2014 roku firma Local Motors zadebiutowała Strati, działający pojazd, który został w całości wydrukowany w 3D przy użyciu plastiku ABS i włókna węglowego, z wyjątkiem układu napędowego.
  • W maju 2015 roku Airbus ogłosił, że jego nowy Airbus A350 XWB zawiera ponad 1000 komponentów wyprodukowanych metodą druku 3D.
  • W 2015 roku poleciał myśliwiec Royal Air Force Eurofighter Typhoon z nadrukowanymi częściami. United States Air Force zaczęła pracować z drukarkami 3D, a izraelskie lotnictwo nabył również drukarki 3D do drukowania części zamiennych.
  • W 2017 r. GE Aviation ujawniło, że wykorzystało projekt do wytwarzania przyrostowego, aby stworzyć silnik helikoptera składający się z 16 części zamiast 900, co ma ogromny potencjalny wpływ na zmniejszenie złożoności łańcuchów dostaw .

Przemysł zbrojeniowy

Wpływ AM na broń palną obejmuje dwa wymiary: nowe metody produkcji dla uznanych firm oraz nowe możliwości wytwarzania broni palnej do samodzielnego montażu. W 2012 roku amerykańska grupa Defense Distributed ujawniła plany zaprojektowania działającej plastikowej broni palnej drukowanej w 3D, „którą może pobrać i odtworzyć każdy, kto ma drukarkę 3D”. Po tym, jak Defense Distributed opublikowało swoje plany, pojawiły się pytania dotyczące wpływu, jaki drukowanie 3D i powszechna obróbka CNC na poziomie konsumenckim może mieć na skuteczność kontroli broni . Co więcej, strategie projektowania zbroi można ulepszyć, czerpiąc inspirację z natury i tworząc prototypy tych projektów, które są łatwo możliwe przy użyciu wytwarzania przyrostowego.

Sektor zdrowia

Chirurgiczne zastosowania terapii skoncentrowanych na drukowaniu 3D mają swoją historię, która rozpoczęła się w połowie lat 90. od modelowania anatomicznego do planowania operacji rekonstrukcyjnych kości. Implanty dopasowane do pacjenta były naturalnym przedłużeniem tej pracy, prowadząc do prawdziwie spersonalizowanych implantów, które pasują do jednej wyjątkowej osoby. Wirtualne planowanie operacji i prowadzenie za pomocą drukowanych w 3D, spersonalizowanych instrumentów zostało z dużym sukcesem zastosowane w wielu obszarach chirurgii, w tym w całkowitej wymianie stawów i rekonstrukcji czaszkowo-szczękowo-twarzowej. Jednym z przykładów jest bioresorbowalna szyna tchawicza do leczenia noworodków z tracheobronchomalacją, opracowana na Uniwersytecie Michigan. Wykorzystanie wytwarzania przyrostowego do seryjnej produkcji implantów ortopedycznych (metali) również wzrasta ze względu na zdolność do wydajnego tworzenia porowatych struktur powierzchniowych, które ułatwiają osteointegrację. Oczekuje się, że branża aparatów słuchowych i dentystyczna będzie największym obszarem przyszłego rozwoju przy użyciu niestandardowej technologii drukowania 3D.

W marcu 2014 roku chirurdzy w Swansea użyli wydrukowanych części 3D do odtworzenia twarzy motocyklisty, który został poważnie ranny w wypadku drogowym. W maju 2018 r. druk 3D został wykorzystany do przeszczepu nerki, aby uratować trzyletniego chłopca. Od 2012 r. technologia biodruku 3D była badana przez firmy biotechnologiczne i środowisko akademickie pod kątem możliwości wykorzystania w zastosowaniach inżynierii tkankowej, w których organy i części ciała są budowane przy użyciu technik druku atramentowego . W tym procesie warstwy żywych komórek są osadzane na podłożu żelowym lub macierzy cukrowej i powoli budowane, tworząc trójwymiarowe struktury, w tym układy naczyniowe. Niedawno powstało serce na chipie, które odpowiada właściwościom komórek.

Badano degradację termiczną polimerów wchłanialnych podczas drukowania 3D, podobnie jak w przypadku szwów chirurgicznych , a parametry można dostosować tak, aby zminimalizować degradację podczas przetwarzania. Można drukować miękkie, giętkie struktury rusztowania do hodowli komórkowych.

W druku 3D mikrostruktury symulowane komputerowo są powszechnie wykorzystywane do wytwarzania obiektów o zmiennych przestrzennie właściwościach. Osiąga się to poprzez podzielenie objętości pożądanego obiektu na mniejsze podkomórki za pomocą narzędzi symulacyjnych wspomaganych komputerowo, a następnie wypełnienie tych komórek odpowiednimi mikrostrukturami podczas produkcji. Kilka różnych kandydujących struktur o podobnych zachowaniach jest porównywanych ze sobą, a obiekt jest tworzony po znalezieniu optymalnego zestawu struktur. Stosowane są zaawansowane metody optymalizacji topologii, aby zapewnić kompatybilność struktur w sąsiednich komórkach. To elastyczne podejście do wytwarzania 3D jest szeroko stosowane w różnych dyscyplinach, od nauk biomedycznych, w których wykorzystuje się je do tworzenia złożonych struktur kostnych i tkanek ludzkich, po robotykę, w której są wykorzystywane do tworzenia miękkich robotów z ruchomymi częściami. Druk 3D coraz częściej znajduje zastosowanie również w projektowaniu i produkcji aparatury laboratoryjnej

Druk 3D został również wykorzystany przez naukowców z branży farmaceutycznej. W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił gwałtowny wzrost zainteresowania akademickiego dostarczaniem leków za pomocą technik AM. Technologia ta oferuje unikalny sposób wykorzystania materiałów w nowatorskich recepturach. Produkcja AM pozwala na wykorzystanie materiałów i związków w opracowywaniu formulacji w sposób, który nie jest możliwy w przypadku konwencjonalnych/tradycyjnych technik w dziedzinie farmacji, np. tabletkowanie, odlewanie itp. Ponadto jedna z głównych zalet 3D drukowanie, zwłaszcza w przypadku Fused Deposition Modeling (FDM), to możliwa do osiągnięcia personalizacja postaci dawkowania, a tym samym ukierunkowanie na specyficzne potrzeby pacjenta. W niedalekiej przyszłości drukarki 3D mają trafić do szpitali i aptek, aby zapewnić produkcję na żądanie spersonalizowanych preparatów zgodnie z potrzebami pacjentów.

W 2018 roku po raz pierwszy zastosowano technologię druku 3D do stworzenia matrycy do immobilizacji komórek w procesie fermentacji. Jako badanie modelowe wybrano produkcję kwasu propionowego przez Propionibacterium acidipropionici unieruchomioną na drukowanych w 3D nylonowych kulkach . Wykazano, że te drukowane w 3D kulki były zdolne do promowania przyczepiania się komórek o wysokiej gęstości i produkcji kwasu propionowego, co można dostosować do innych bioprocesów fermentacyjnych.

W 2005 r. czasopisma akademickie zaczęły donosić o możliwych artystycznych zastosowaniach technologii druku 3D. Od 2017 roku krajowy druk 3D docierał do odbiorców spoza hobbystów i entuzjastów. Maszyny z półki były coraz bardziej zdolne do wytwarzania praktycznych zastosowań domowych, na przykład przedmiotów ozdobnych. Niektóre praktyczne przykłady obejmują między innymi działający zegar i koła zębate wydrukowane dla domowych maszyn do obróbki drewna. Witryny internetowe związane z domowym drukowaniem 3D zwykle zawierały drapaki, wieszaki na płaszcze, klamki do drzwi itp.

Sektor edukacyjny

Druk 3D, aw szczególności drukarki 3D typu open source, to najnowsza technologia wkraczająca do klasy. Niektórzy autorzy twierdzą, że drukarki 3D oferują bezprecedensową „rewolucję” w edukacji STEM . Dowody na takie twierdzenia pochodzą zarówno z taniej zdolności do szybkiego prototypowania w klasie przez uczniów, ale także z wytwarzania niedrogiego, wysokiej jakości sprzętu naukowego z otwartych projektów sprzętowych tworzących laboratoria o otwartym kodzie źródłowym . Przyszłe zastosowania druku 3D mogą obejmować tworzenie sprzętu naukowego typu open source.

Dziedzictwo kulturowe i cyfrowy bliźniak oparty na muzeach

W ciągu ostatnich kilku lat druk 3D był intensywnie wykorzystywany w dziedzinie dziedzictwa kulturowego do celów konserwacji, restauracji i rozpowszechniania. Wiele muzeów w Europie i Ameryce Północnej zakupiło drukarki 3D i aktywnie odtwarza brakujące fragmenty swoich reliktów i zabytków archeologicznych, takich jak Tiwanaku w Boliwii . Metropolitan Museum of Art i Muzeum Brytyjskie zaczęła używać ich drukarek 3D do tworzenia pamiątki muzealne, które są dostępne w sklepach muzealnych. Inne muzea, takie jak Narodowe Muzeum Historii Wojskowości i Muzeum Historyczne w Warnie, poszły dalej i sprzedają za pośrednictwem platformy internetowej Threeding cyfrowe modele swoich artefaktów, stworzone za pomocą skanerów 3D Artec , w formacie pliku przyjaznym dla druku 3D, który każdy może wydrukować w 3D Dom.

Zastosowanie druku 3D do reprezentacji obiektów architektonicznych wiąże się z wieloma wyzwaniami. W 2018 roku struktura Iran National Bank była tradycyjnie badana i modelowana w oprogramowaniu do grafiki komputerowej (CG) (Cinema4D) i została zoptymalizowana pod kątem druku 3D. Zespół przetestował technikę konstrukcji części i zakończył się sukcesem. Po przetestowaniu procedury modelarze zrekonstruowali konstrukcję w Cinema4D i wyeksportowali przednią część modelu do Netfabb. Wejście do budynku zostało wybrane ze względu na ograniczenia druku 3D oraz budżet projektu na wykonanie makiety. Druk 3D był tylko jedną z możliwości, jakie umożliwiał wyprodukowany model 3D banku, ale ze względu na ograniczony brief projektu zespół nie kontynuował modelowania dla wirtualnej reprezentacji lub innych aplikacji. W 2021 r. Parsinejad i in. kompleksowo porównał metodę pomiarów ręcznych do rekonstrukcji 3D gotowej do druku 3D z Rejestracją Cyfrową (przyjęcie metody Fotogrametrii).

Ostatnie inne aplikacje

Drukowane 3D miękkie siłowniki to rosnące zastosowanie technologii druku 3D, która znalazła swoje miejsce w zastosowaniach druku 3D. Te miękkie siłowniki są opracowywane z myślą o miękkich strukturach i narządach, zwłaszcza w sektorach biomedycznych, gdzie interakcja między człowiekiem a robotem jest nieunikniona. Większość istniejących miękkich siłowników jest wytwarzana konwencjonalnymi metodami, które wymagają ręcznego wytwarzania urządzeń, obróbki końcowej/montażu i długich iteracji aż do osiągnięcia dojrzałości produkcji. Zamiast żmudnych i czasochłonnych aspektów obecnych procesów produkcyjnych, naukowcy badają odpowiednie podejście produkcyjne do efektywnego wytwarzania miękkich siłowników. W ten sposób wprowadzono drukowane w 3D miękkie siłowniki, aby zrewolucjonizować projektowanie i wytwarzanie miękkich siłowników o niestandardowych właściwościach geometrycznych, funkcjonalnych i kontrolnych w szybszym i niedrogim podejściu. Umożliwiają również wbudowanie wszystkich elementów siłownika w jedną strukturę, eliminując potrzebę stosowania zewnętrznych złączy , klejów i łączników . Produkcja płytek drukowanych obejmuje wiele etapów, które obejmują obrazowanie, wiercenie, powlekanie, powlekanie maski lutowniczej, drukowanie nazewnictwa i wykończenie powierzchni. Te etapy obejmują wiele chemikaliów, takich jak ostre rozpuszczalniki i kwasy. Obwody drukowane 3D eliminują potrzebę wykonywania wielu z tych kroków, jednocześnie tworząc złożone projekty. Atrament polimerowy służy do tworzenia warstw konstrukcji, a polimer srebrny służy do tworzenia śladów i otworów służących do przepływu elektryczności. Obecna produkcja płytek drukowanych może być żmudnym procesem w zależności od projektu. Określone materiały są gromadzone i wysyłane do obróbki warstwy wewnętrznej, gdzie obrazy są drukowane, wywoływane i wytrawiane. Rdzenie trawiące są zwykle dziurkowane, aby dodać oprzyrządowanie do laminowania. Rdzenie są następnie przygotowywane do laminowania. Nagromadzenie, nagromadzenie płytki drukowanej, jest budowane i wysyłane do laminowania, gdzie warstwy są sklejane. Deski są następnie mierzone i wiercone. Wiele kroków może różnić się od tego etapu, jednak w przypadku prostych projektów materiał przechodzi proces platerowania, aby pokryć otwory i powierzchnię. Zewnętrzny obraz jest następnie drukowany, wywoływany i wytrawiany. Po zdefiniowaniu obrazu materiał należy pokryć maską soldermaski do późniejszego lutowania. Następnie dodaje się nomenklaturę, aby można było później zidentyfikować składniki. Następnie dodaje się wykończenie powierzchni. Płyty są wyprowadzane z formy panelowej do postaci pojedynczej lub szyku, a następnie testowane elektrycznie. Oprócz dokumentacji, którą należy wypełnić, aby udowodnić, że deski spełniają specyfikacje, deski są następnie pakowane i wysyłane. Zaletą druku 3D byłoby to, że ostateczny zarys jest zdefiniowany od samego początku, nie jest wymagane obrazowanie, wykrawanie ani laminowanie, a połączenia elektryczne są wykonane z polimeru srebra, co eliminuje wiercenie i platerowanie. Ostateczna robota papierkowa zostałaby również znacznie zmniejszona ze względu na brak materiałów wymaganych do zbudowania płytki drukowanej. Złożone projekty, których ukończenie w normalnym trybie może zająć tygodnie, można drukować w 3D, co znacznie skraca czas produkcji.

Podczas pandemii COVID-19 drukarki 3D były wykorzystywane do uzupełniania napiętych dostaw ŚOI przez wolontariuszy używających ich osobistych drukarek do produkcji różnych elementów wyposażenia ochrony osobistej (tj. ramek)

Od 2021 roku i lat poprzedzających druk 3D stał się zarówno narzędziem przemysłowym, jak i produktem konsumenckim. Ponieważ ceny niektórych drukarek 3D stają się coraz tańsze, a jakość stale rośnie, wiele osób podjęło hobby drukowania 3D. Według aktualnych szacunków na całym świecie jest ponad 2 miliony ludzi, którzy kupili drukarkę 3D do użytku hobbystycznego.

Aspekty prawne

Własność intelektualna

Druk 3D istnieje od dziesięcioleci w pewnych branżach produkcyjnych, gdzie wiele systemów prawnych, w tym patentów , praw do wzorów przemysłowych , prawa autorskie i znaki towarowe mogą mieć zastosowanie. Jednak nie ma zbyt wiele orzecznictwa, aby powiedzieć, w jaki sposób te przepisy będą miały zastosowanie, jeśli drukarki 3D staną się głównym nurtem, a osoby prywatne lub społeczności hobbystów zaczną produkować przedmioty do użytku osobistego, do dystrybucji non-profit lub na sprzedaż.

Każdy z wymienionych reżimów prawnych może zabronić dystrybucji wzorów wykorzystywanych w druku 3D lub dystrybucji lub sprzedaży drukowanego przedmiotu. Aby móc robić te rzeczy, w przypadku gdy chodzi o aktywną własność intelektualną, osoba musiałaby skontaktować się z właścicielem i poprosić o licencję, która może mieć określone warunki i cenę. Jednak wiele praw patentowych, projektowych i praw autorskich zawiera standardowe ograniczenia lub wyjątki dotyczące „prywatnego”, „niekomercyjnego” wykorzystania wynalazków, projektów lub dzieł sztuki chronionych prawem własności intelektualnej (IP). To standardowe ograniczenie lub wyjątek może pozostawić takie prywatne, niekomercyjne zastosowania poza zakresem praw własności intelektualnej.

Patenty obejmują wynalazki, w tym procesy, maszyny, produkcję i składy materii, i mają ograniczony czas trwania, który różni się w zależności od kraju, ale zazwyczaj 20 lat od daty złożenia wniosku. Dlatego też, jeśli typ koła jest opatentowany, drukowanie, używanie lub sprzedaż takiego koła może stanowić naruszenie patentu.

Prawo autorskie obejmuje wyrażenie w namacalnym, stałym medium i często trwa przez całe życie autora plus 70 lat później. Jeśli ktoś wykona posąg, może mieć znak praw autorskich na wygląd posągu, więc jeśli ktoś zobaczy ten posąg, nie może następnie rozpowszechniać projektów drukowania identycznego lub podobnego posągu.

Gdy cecha ma zarówno walory artystyczne (prawa autorskie), jak i funkcjonalne (możliwość opatentowania), gdy pytanie pojawiło się w sądzie amerykańskim, sądy często orzekały, że cecha nie podlega prawu autorskiemu, chyba że można ją oddzielić od funkcjonalnych aspektów przedmiotu. W innych krajach prawo i sądy mogą stosować inne podejście pozwalające np. na rejestrację wzoru urządzenia użytkowego (jako całości) jako wzoru przemysłowego przy założeniu, że w przypadku nieuprawnionego kopiowania tylko - cechy funkcjonalne mogą być zastrzeżone na mocy prawa o wzornictwie, podczas gdy wszelkie cechy techniczne mogą być zastrzeżone tylko wtedy, gdy są objęte ważnym patentem.

Ustawodawstwo i administracja broni

Amerykański Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego i Wspólne Centrum Wywiadu Regionalnego opublikowały notatkę stwierdzającą, że „znaczące postępy w zakresie możliwości drukowania trójwymiarowego (3D), dostępność bezpłatnych cyfrowych plików do druku 3D dla komponentów broni palnej oraz trudności w regulacji udostępniania plików mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa publicznego ryzyko ze strony niewykwalifikowanych poszukiwaczy broni, którzy nabywają lub produkują broń drukowaną w 3D” oraz że „proponowane przepisy zakazujące drukowania 3D broni mogą zniechęcać, ale nie mogą całkowicie zapobiec ich produkcji. Nawet jeśli taka praktyka jest zabroniona przez nowe przepisy, pliki do wydrukowania będą tak samo trudne do kontrolowania, jak wszelkie inne nielegalnie sprzedawane pliki muzyczne, filmowe lub oprogramowanie”. Obecnie w Stanach Zjednoczonych produkcja broni palnej na własny użytek nie jest prawnie zabroniona, o ile broń ta nie jest produkowana z zamiarem sprzedaży lub przekazania i spełnia kilka podstawowych wymagań. Do produkcji broni palnej przeznaczonej do sprzedaży lub dystrybucji wymagana jest licencja. Prawo zabrania składania niesportowego półautomatycznego karabinu lub strzelby z co najmniej 10 importowanych części, a także broni palnej, której nie można wykryć za pomocą wykrywaczy metali lub urządzeń rentgenowskich. Ponadto wykonanie broni palnej NFA wymaga zapłaty podatku i zatwierdzenia zaliczki przez ATF.

Próba ograniczenia dystrybucji planów broni przez Internet została porównana do daremności zapobiegania powszechnej dystrybucji DeCSS , który umożliwiał zgrywanie płyt DVD . Po tym, jak rząd USA nakazał Defence Distributed usunięcie planów, były one nadal powszechnie dostępne za pośrednictwem Pirate Bay i innych witryn do udostępniania plików. Pobierano plany z Wielkiej Brytanii, Niemiec, Hiszpanii i Brazylii. Niektórzy ustawodawcy w USA zaproponowali przepisy dotyczące drukarek 3D, aby uniemożliwić ich używanie do pistoletów drukarskich. Zwolennicy druku 3D zasugerowali, że takie regulacje byłyby daremne, mogłyby sparaliżować branżę druku 3D i mogłyby naruszać prawa do wolności słowa, a wczesny pionier druku 3D profesor Hod Lipson zasugerował, że zamiast tego można kontrolować proch strzelniczy.

Na arenie międzynarodowej, gdzie kontrola broni jest ogólnie bardziej rygorystyczna niż w Stanach Zjednoczonych, niektórzy komentatorzy twierdzą, że wpływ może być silniej odczuwalny, ponieważ alternatywna broń palna nie jest tak łatwo dostępna. Urzędnicy w Wielkiej Brytanii zauważyli, że produkcja broni drukowanej w 3D byłaby nielegalna w świetle ich przepisów dotyczących kontroli broni. Europol stwierdził, że przestępcy mają dostęp do innych źródeł broni, ale zauważył, że wraz z poprawą technologii zwiększa się ryzyko wystąpienia efektu.

Regulacja lotnicza

W Stanach Zjednoczonych FAA przewidziała chęć wykorzystania technik wytwarzania przyrostowego i zastanawiała się, jak najlepiej uregulować ten proces. FAA ma jurysdykcję nad taką produkcją, ponieważ wszystkie części samolotu muszą być wykonane zgodnie z zatwierdzeniem produkcyjnym FAA lub zgodnie z innymi kategoriami regulacyjnymi FAA. W grudniu 2016 roku FAA zatwierdziła produkcję drukowanej w 3D dyszy paliwowej do silnika GE LEAP. Adwokat ds. lotnictwa Jason Dickstein zasugerował, że wytwarzanie addytywne jest jedynie metodą produkcji i powinno być regulowane jak każda inna metoda produkcji. Zasugerował, że FAA powinna skupić się na wskazówkach wyjaśniających zgodność, a nie na zmianie istniejących przepisów, oraz że istniejące przepisy i wytyczne pozwalają firmie „opracować solidny system jakości, który odpowiednio odzwierciedla potrzeby regulacyjne w zakresie zapewniania jakości”.

Zdrowie i bezpieczeństwo

Film o badaniach przeprowadzonych nad emisjami drukarek

Badania dotyczące problemów związanych ze zdrowiem i bezpieczeństwem drukowania 3D są nowe i rozwijane ze względu na niedawne rozpowszechnienie się urządzeń do drukowania 3D. W 2017 r. Europejska Agencja Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy opublikowała dokument do dyskusji na temat procesów i materiałów związanych z drukowaniem 3D, potencjalnych implikacji tej technologii dla bezpieczeństwa i higieny pracy oraz sposobów kontrolowania potencjalnych zagrożeń.

Uderzenie

Wytwarzanie przyrostowe, począwszy od dzisiejszego okresu niemowlęctwa, wymaga od firm produkcyjnych elastyczności i ciągłego doskonalenia użytkowników wszystkich dostępnych technologii, aby zachować konkurencyjność. Zwolennicy wytwarzania addytywnego przewidują również, że ten łuk rozwoju technologicznego będzie przeciwdziałał globalizacji , ponieważ użytkownicy końcowi będą wykonywać większość własnej produkcji, zamiast angażować się w handel, aby kupować produkty od innych osób i korporacji. Rzeczywista integracja nowszych technologii addytywnych z produkcją komercyjną jest jednak bardziej kwestią uzupełnienia tradycyjnych metod odejmowania niż ich całkowitego zastąpienia.

Futurolog Jeremy Rifkin twierdzi, że 3D drukowania sygnalizuje początek trzeciej rewolucji przemysłowej , zastępując na linię produkcyjną zespół, który dominował produkcyjny począwszy od końca 19 wieku.

Zmiana społeczna

Znak uliczny w Windhoek , Namibia , reklama druku 3D, lipiec 2018

Od lat pięćdziesiątych wielu pisarzy i komentatorów społecznych dogłębnie spekulowało na temat zmian społecznych i kulturowych, które mogą wyniknąć z pojawienia się komercyjnie przystępnej technologii wytwarzania przyrostowego. W ostatnich latach druk 3D wywiera znaczący wpływ na sektor pomocy humanitarnej i rozwoju. Jego potencjał ułatwiania produkcji rozproszonej skutkuje korzyściami w zakresie łańcucha dostaw i logistyki poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na transport, magazynowanie i marnotrawstwo. Ponadto rozwój społeczny i gospodarczy jest przyspieszony poprzez tworzenie lokalnych gospodarek produkcyjnych.

Inni sugerowali, że w miarę jak coraz więcej drukarek 3D zaczyna wchodzić do domów ludzi, konwencjonalna relacja między domem a miejscem pracy może jeszcze bardziej ulec erozji. Podobnie, sugerowano również, że w miarę jak firmom łatwiej jest przesyłać projekty nowych obiektów na całym świecie, zapotrzebowanie na usługi szybkiego transportu towarowego może również zmaleć. Wreszcie, biorąc pod uwagę łatwość, z jaką można obecnie powielać niektóre obiekty, okaże się, czy w obecnym prawodawstwie dotyczącym praw autorskich zostaną wprowadzone zmiany w celu ochrony praw własności intelektualnej za pomocą nowej, powszechnie dostępnej technologii.

Ponieważ drukarki 3D stały się bardziej dostępne dla konsumentów, internetowe platformy społecznościowe rozwinęły się, aby wspierać społeczność. Obejmuje to strony internetowe, które umożliwiają użytkownikom dostęp do informacji, takich jak sposób budowania drukarki 3D, a także fora społecznościowe, na których omawia się, jak poprawić jakość druku 3D i omawiają wiadomości o drukowaniu 3D, a także witryny mediów społecznościowych, które są poświęcone udostępnianiu modeli 3D . RepRap to witryna internetowa oparta na wiki, która została stworzona w celu przechowywania wszystkich informacji na temat drukowania 3D i rozwinęła się w społeczność, której celem jest udostępnienie drukowania 3D wszystkim. Ponadto istnieją inne witryny, takie jak Pinshape , Thingiverse i MyMiniFactory , które zostały stworzone początkowo, aby umożliwić użytkownikom publikowanie plików 3D dla każdego, co pozwala na zmniejszenie kosztów transakcji udostępniania plików 3D. Strony te umożliwiły większą interakcję społeczną między użytkownikami, tworząc społeczności poświęcone drukowi 3D.

Niektórzy zwracają uwagę na połączenie opartej na Commons produkcji równorzędnej z drukowaniem 3D i innymi tanimi technikami produkcyjnymi. Samowzmacniającą się fantazję o systemie wiecznego wzrostu można przezwyciężyć wraz z rozwojem ekonomii zakresu, a tutaj społeczeństwo może odegrać ważną rolę, przyczyniając się do podniesienia całej struktury produkcyjnej na wyższy poziom bardziej zrównoważonej i dostosowanej produktywności . Co więcej, prawdą jest, że wiele problemów, problemów i zagrożeń wynika z demokratyzacji środków produkcji, a zwłaszcza fizycznych. Na przykład nadal kwestionowana jest możliwość recyklingu zaawansowanych nanomateriałów; produkcja broni mogłaby stać się łatwiejsza; nie wspominając o skutkach dla podrabiania i własności intelektualnej. Można twierdzić, że w przeciwieństwie do paradygmatu przemysłowego, którego konkurencyjna dynamika opierała się na ekonomii skali, drukowanie 3D oparte na rówieśnikach oparte na Commons może osiągnąć korzyści zakresu. Podczas gdy zalety skali opierają się na tanim globalnym transporcie, korzyści zakresu dzielą koszty infrastruktury (niematerialne i materialne zasoby produkcyjne), wykorzystując możliwości narzędzi produkcyjnych. I podążając za Neilem Gershenfeldem, że „niektóre z najsłabiej rozwiniętych części świata potrzebują najbardziej zaawansowanych technologii”, produkcja rówieśnicza oparta na Commons i drukowanie 3D mogą oferować niezbędne narzędzia do myślenia globalnego, ale działania lokalnie w odpowiedzi na pewne potrzeby.

Larry Summers pisał o „niszczących konsekwencjach” drukowania 3D i innych technologii (robotów, sztucznej inteligencji itp.) dla tych, którzy wykonują rutynowe zadania. Jego zdaniem „już więcej Amerykanów ma ubezpieczenie rentowe niż wykonuje pracę produkcyjną w przemyśle. A wszystkie trendy zmierzają w złym kierunku, szczególnie dla mniej wykwalifikowanych, ponieważ zdolność kapitału ucieleśniającego sztuczną inteligencję do zastąpienia białych kołnierzyków w nadchodzących latach szybko wzrośnie również praca robotnicza”. Summers zaleca bardziej energiczne wysiłki na rzecz współpracy w celu rozwiązania „niezliczonych urządzeń” (np. rajów podatkowych, tajemnicy bankowej, prania pieniędzy i arbitrażu regulacyjnego), umożliwiających posiadaczom wielkiego bogactwa „płacenie” podatków dochodowych i od nieruchomości oraz zwiększenie ich trudno gromadzić wielkie fortuny bez wymagania w zamian „wysokich składek na ubezpieczenie społeczne”, w tym: bardziej energicznego egzekwowania przepisów antymonopolowych, ograniczenia „nadmiernej” ochrony własności intelektualnej, większego zachęcania do programów podziału zysków, które mogą przynieść korzyści pracownikom i zapewnić im udział w akumulacji majątku, wzmocnienie układów zbiorowych, poprawa ładu korporacyjnego, wzmocnienie regulacji finansowych w celu wyeliminowania subsydiów do działalności finansowej, złagodzenie ograniczeń użytkowania gruntów, które mogą powodować, że nieruchomości bogatych będą stale rosły na wartości, lepsze szkolenia dla młodych ludzi i przekwalifikowania dla pracowników przesiedlonych oraz zwiększone inwestycje publiczne i prywatne w infrastrukturę rozwoju – np. w produkcji i transporcie energii.

Michael Spence napisał, że „Nadchodzi… potężna fala technologii cyfrowej, która zastępuje pracę w coraz bardziej złożonych zadaniach. Ten proces zastępowania i eliminowania siły roboczej trwa już od jakiegoś czasu w sektorach usługowych – pomyśl o bankomatach, bankowości internetowej, planowanie zasobów przedsiębiorstwa, zarządzanie relacjami z klientami, systemy płatności mobilnych i wiele więcej. Ta rewolucja rozprzestrzenia się na produkcję towarów, w której roboty i drukowanie 3D wypierają siłę roboczą”. Jego zdaniem zdecydowana większość kosztów technologii cyfrowych pojawia się na początku, przy projektowaniu sprzętu (np. drukarek 3D) i, co ważniejsze, przy tworzeniu oprogramowania, które umożliwia maszynom wykonywanie różnych zadań. „Po osiągnięciu tego krańcowy koszt sprzętu jest stosunkowo niski (i spada wraz ze wzrostem skali), a krańcowy koszt replikacji oprogramowania jest zasadniczo zerowy. Z ogromnym potencjałem globalnego rynku do amortyzacji z góry stałych kosztów projektowania i testowania, zachęty do inwestowania [w technologie cyfrowe] są przekonujące”.

Spence uważa, że ​​w przeciwieństwie do wcześniejszych technologii cyfrowych, które skłaniały firmy do wdrażania niewykorzystanych zasobów cennej siły roboczej na całym świecie, siłą motywującą obecnej fali technologii cyfrowych „jest redukcja kosztów poprzez zastępowanie siły roboczej”. Na przykład, gdy koszt technologii druku 3D spada, „łatwo sobie wyobrazić”, że produkcja może stać się „niezwykle” lokalna i dostosowana do potrzeb. Ponadto produkcja może następować w odpowiedzi na rzeczywisty popyt, a nie przewidywany lub prognozowany popyt. Spence uważa, że ​​siła robocza, bez względu na to, jak niedroga, stanie się mniej ważnym atutem dla wzrostu i wzrostu zatrudnienia, a pracochłonna produkcja zorientowana na procesy stanie się mniej efektywna, a relokalizacja pojawi się zarówno w krajach rozwiniętych, jak i rozwijających się. Jego zdaniem produkcja nie zniknie, ale będzie mniej pracochłonna, a wszystkie kraje będą musiały ostatecznie przebudować swoje modele wzrostu wokół technologii cyfrowych i kapitału ludzkiego wspierającego ich wdrażanie i ekspansję. Spence pisze, że „świat, do którego wkraczamy, to taki, w którym najpotężniejszymi globalnymi przepływami będą idee i kapitał cyfrowy, a nie towary, usługi i tradycyjny kapitał. Przystosowanie się do tego będzie wymagało zmian w sposobie myślenia, polityce, inwestycjach (zwłaszcza w kapitału) i całkiem możliwe, że modele zatrudnienia i dystrybucji”.

Naomi Wu uważa wykorzystanie druku 3D w chińskiej klasie (gdzie zapamiętywanie pamięci jest standardem) do nauczania zasad projektowania i kreatywności jako najbardziej ekscytujący rozwój tej technologii, a bardziej ogólnie uważa druk 3D za kolejną rewolucję w zakresie DTP .

Zmiany środowiskowe

Rozwój wytwarzania przyrostowego może mieć duży wpływ na środowisko. W przeciwieństwie na przykład do tradycyjnej produkcji, w której elementy są wycinane z większych bloków materiału, produkcja addytywna tworzy produkty warstwa po warstwie i drukuje tylko odpowiednie części, tracąc znacznie mniej materiału, a tym samym tracąc mniej energii na produkcję potrzebnych surowców . Dokonując tylko najpotrzebniejsze rzeczy strukturalnych produktów, dodatek do produkcji również mogłyby uczynić ogromny wkład do ciężaru produktów , zmniejszenie zużycia energii i emisji gazów cieplarnianych z pojazdów i innych form transportu. Na przykład studium przypadku komponentu samolotu wykonanego metodą wytwarzania przyrostowego wykazało, że użycie komponentu pozwala zaoszczędzić 63% odpowiedniej emisji energii i dwutlenku węgla w całym okresie eksploatacji produktu. Ponadto w poprzedniej ocenie cyklu życia wytwarzania przyrostowego oszacowano, że zastosowanie tej technologii może jeszcze bardziej obniżyć emisje dwutlenku węgla, ponieważ drukowanie 3D powoduje lokalną produkcję, a produkty nie będą musiały być transportowane na duże odległości, aby dotrzeć do miejsca docelowego.

Jednak dalsze stosowanie wytwarzania addytywnego wiąże się z pewnymi wadami środowiskowymi. Pomimo tego, że produkcja addytywna zmniejsza ilość odpadów z procesu subtraktywnego nawet o 90%, w procesie wytwarzania addytywnego powstają inne formy odpadów, takie jak proszki materiałów nienadających się do recyklingu (metali). Produkcja addytywna nie osiągnęła jeszcze swojego teoretycznego potencjału wydajności materiałów na poziomie 97%, ale może się zbliżyć, ponieważ technologia nadal zwiększa produktywność.

Niektóre duże drukarki FDM, które topią granulki polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE), mogą również przyjmować wystarczająco czyste materiały z recyklingu, takie jak rozdrobnione butelki po mleku. Ponadto drukarki te mogą wykorzystywać rozdrobniony materiał pochodzący z wadliwych konstrukcji lub nieudanych wersji prototypowych, zmniejszając w ten sposób ogólne marnotrawstwo projektu oraz obsługę i przechowywanie materiałów. Koncepcja została zbadana w RecycleBot .

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki