Co je technologie 3D tisku - jak to funguje, aplikace a překážky

Tyto revoluční tiskárny jsou stále více viditelné v našem každodenním životě:

Zbraně. V roce 2013 navrhl, vytvořil a vytiskl plastovou zbraň pomocí technologie 3D tisku „kryptoanarchista“ Cody Wilson. Cody vystřelil a distribuoval soubory CAD pro zbraň přes internet. Než vláda USA uzavřela web, bylo staženo více než 100 000 souborů. V květnu 2014 byl Yoshitomo Imura v Japonsku zatčen za držení pěti 3D tištěných děl.
Kosmetika. Na veletrhu TechCrunch Disrupt v New Yorku v květnu 2014 promoval absolvent Harvard MBA Grace Choi s 3D tiskárnou za méně než 200 $, která kombinuje inkoust schválený FDA s různými substráty a vytváří jakýkoli typ make-upu z prášků, na krém, na rtěnku. Podle Choi, „Velké makeupové společnosti berou pigment a substráty a smíchají je dohromady a pak zvednou cenu. Děláme to samé a necháme vám make-up přímo ve vašem vlastním domě. “
Části těla. Podle zprávy časopisu TIME z roku 2013 3D tiskárny již vyřezávají části těla, jako jsou uši a nosy, z tělních buněk. V rané fázi je tato technologie slibná pro kosmetickou a plastickou chirurgii.
Jídlo. Technologický institut v Massachusetts vyvinul 3D tiskárnu pro potraviny s názvem „Cornucopia“ a Francouzský kulinářský institut používá k přípravě potravin FabatHome vyvinutý společností Cornell. Možná, že replikátory potravin ve vesmíru zobrazené v „Star Trek“ nejsou v budoucnosti tak daleko, jak bychom si mohli myslet.
Forenzní a archeologie. V televizním pořadu „CSI: New York“ se 3D tisk používá k replikaci střely uvnitř těla, aby se zabránilo chirurgickému zákroku. Archeologové mohou replikovat křehké artefakty pro studium, aniž by poškodili původní neocenitelné objekty. Například návštěvníci výstavy Discovery Time Square King Tut mohli vidět téměř identickou 3D tiskovou repliku mumie od společnosti Materialize..

Michelangelo jednou vysvětlil, že v každém kamenném bloku je socha, a je úkolem sochy jej objevit. Jakmile umělec chápe trojrozměrný obraz, který hledá, je jeho úkolem pečlivě odtrhnout cizí materiál a odhalit skrytou strukturu. Pokud by Michelangelo dokázal použít 3D tiskárnu, jeho tvůrčí proces by byl přesně opačný: počínaje ničím a postupně vytvářením jeho mentálního obrazu přidáváním látky, dokud nebyla forma, kterou hledal, úplná..

Jak funguje 3D tisk

Pojem „3D tisk“ je nesprávný název, protože existuje malá podobnost s dvourozměrným tiskem, při kterém se inkoust nanáší na papír. Proces je však podobný tisku, protože výsledkem je hromadění různých vrstev materiálů stanovených postupně v různých tvarech, aby se vytvořil pevný trojrozměrný objekt. Přesnější popis by byl „aditivní výroba“, což je jiný způsob výroby než tradiční výroba, která je založena na odstranění pevného materiálu z větší netvarované hmoty..

Proces začíná návrhem podporovaným počítačem (CAD) nebo 3D skenerem, který převádí model do digitálních trojrozměrných měření. Pomocí vybraného materiálu (kapalina, prášek, papír nebo listový materiál) se na místo umístí několik tenkých vrstev a roztaví se zahřátím, vytvrzením, vystředěním, laminováním nebo fotovou polymerizací, čímž vznikne jediný unifikovaný objekt.

Technologie 3D tisku se v posledním třetím století vyvinula; ve zprávě Patent Insight Pro z roku 2014 bylo uvedeno přibližně 2 635 patentů souvisejících s technologií 3D tisku, které byly vydány od počátku sedmdesátých let. I když každý patent může být specifický, pokud jde o jeho nároky a zdůvodnění, které opravňuje k vydání patentu, lze je obecně roztřídit na základě následujícího:

Technologický proces identifikován. V současné době se v 3D tisku používá 33 různých procesů, od modelování roztaveného depozice (FDM) - proces zahřívání termoplastických materiálů až po polotekuté stavy, které se poté vytlačují po vrstvě po počítačově řízené cestě - po stereolitografii, proces, při kterém ultrafialový laser ztvrdne vrstvu kapalného fotopolymeru, protože je zvýšen nebo snížen platformou ponořenou do nádrže s kapalným polymerem podobnou nanášení povlaku po nanesení barvy, dokud výsledkem více vrstev nebude hotová část.
Materiály uvedené v patentu. Dosud vydané patenty pokrývají 45 různých materiálů včetně keramiky, jílu, palladia, papíru, gumy, stříbra, titanu a vosku.
Použití nebo aplikace. V konečném důsledku existovalo nejméně 22 komerčních aplikací 3D tisku, včetně stavebního, obranného a potravinářského průmyslu.

Stav průmyslu 3D tisku

Mnoho pozorovatelů v odvětví tvrdí, že nedostatečný průnik na masové trhy byl dosud způsoben rozsáhlými patenty různých společností a pravděpodobností soudních sporů o duševní vlastnictví. Jednoduše řečeno, společnosti nevynakládají prostředky na využívání technologie, protože se bojí žalovat.

Tato překážka hospodářské soutěže udržovala nové účastníky mimo trh a vysoké ceny; ve skutečnosti příliš vysoká na podporu spotřebitelských aplikací na velkém trhu. Vzhledem k tomu, že mnoho patentů vztahujících se na základní technologie vypršelo v roce 2013 a více vyprší v letech 2014 a 2015, je pravděpodobné, že dojde k explozi nových produktů a snížení cen zařízení podobně jako pokles jiného elektronického hardwaru, jako jsou televizory, počítače a mobilní telefony. Nižší ceny poprvé poskytnou spotřebitelům přístup na širokém základě.

Podle Pete Basiliere, vedoucího analytika 3D tisku společnosti Gartner, se do roku 2016 objeví přesvědčivá spotřebitelská aplikace - něco, co může doma vytvořit pouze 3D tiskárna - a bude mít podobný dopad na 3D tiskárny jako tabulka pro PC nebo přidání kamery do mobilního telefonu. Zpráva společnosti Gridlogics Technologies předpokládá, že se tato technologie stane masovým tržním prvkem, protože umožní spotřebitelům nahradit nebo vytvořit společné domácí předměty, které jsou nyní vyráběny tradičními výrobními metodami, a zahrnovat související náklady na marketing, logistiku a údržbu zásob. Charles W. Hull, tvůrce první 3D tiskárny v polovině 80. let a spoluzakladatel a hlavní technologický ředitel společnosti 3D Systems, předpovídá, že v tomto odvětví bude do konce tohoto desetiletí podnik v hodnotě 4,5 miliardy dolarů..

Aplikace 3D tisku

Budoucí využití 3D tisku se stále objevují. Níže jsou uvedeny některé z aktuálně používaných aplikací, které budou pravděpodobně nejprve používány jako první.

1. Lékařské
Podle CNN již vědci používají 3D tiskárny k tisku malých proužků orgánových tkání (bioprinting) a také obličejových příloh (uší a nosů). Tištěné orgány, jako jsou ledviny nebo játra - další fáze vývoje technologie - by mohly být zpočátku použity pro testování léků a vakcín a nakonec produkovat tolik potřebné orgány pro transplantace..

Basiliere uvádí: „3D bioprintingová zařízení se schopností tisknout lidské orgány a tkáně postupují mnohem rychleji než obecné porozumění a přijetí důsledků této technologie.“ V reakci na to Mike Titsch, šéfredaktor 3D Printer World, tvrdí: „Mnoho velkých lékařských průlomů utrpělo morální odpor, od transplantací orgánů po kmenové buňky. Budou si to moci dovolit jen bohatí? Hrajeme Boha? Nakonec, záchrana životů má tendenci překonat všechny námitky. “

2. Umělé končetiny
Studenti Washingtonské univerzity vyvinuli protetickou ruku pro třináctiletou dívku, která při nehodě plavby ztratila končetinu. Ačkoli to nebylo tak pokročilé jako u jiných protetik, cena 200 $ za materiály byla podstatně nižší než cena 6 000 USD za podobná zařízení, což je faktor, který vylučuje široké použití v mnoha společnostech.

Kylie Wickerová z Rocklandu, Illinois, narozená bez prstů na levé ruce, obdržela operační sadu plastových 3D potiskovaných prstů za cenu 5 $ a navrženou středoškolskou inženýrskou třídou. Kanadský profesor pracuje na procesu 3D tisku, aby protetické končetiny byly zaslány do Ugandy pro oběti jejich přetrvávajících občanských válek.

3. Móda
Móda využila 3D tisk k vytvoření vizuálně ohromujících šatů a doplňků prezentovaných na drahách New York Fashion Week 2013 a také jedinečných „kouřových“ šatů odhalených na mezinárodním autosalonu ve Frankfurtu v roce 2013. Kouřové šaty automaticky vytvoří závoj kouře, kdykoli někdo vstoupí do osobního prostoru nositele.

Lady Gaga měla na ArtRave 2013 první létající šaty na světě, Volantis, další 3D tištěné šaty. Continuum nabízí na světě první ready-to-wear, zcela 3D tisk bikiny, N12, pojmenovaný pro materiál, ze kterého je vyroben: Nylon 12.

4. Prototypy a testovací modely
Oxfam International, mezinárodní konfederace 17 organizací usilujících o nalezení praktických a inovativních způsobů, jak se lidé mohou dostat z chudoby, se spojila s organizací MyMiniFactory.com s cílem vyvinout inovativní návrhy k řešení problémů hygieny vody v zemích třetího světa. Návrhy lze před tiskem do hromadné výroby rychle vytisknout, otestovat a upravit. I když je proces ještě brzy, sponzoři se domnívají, že rychlé testování nových zařízení a případné následné úpravy pomocí 3D tisku se u takových humanitárních projektů, jako jsou ruční sanitační zařízení pro současné 2,4 miliony syrských uprchlíků žijících v přeplněných nehygienických podmínkách, osvědčí..

Italský vynálezce Enrico Dini vyvinul 3D tiskárnu, známou jako D-Shape, která spojuje částice písku a vytváří sedimentární kámen. Tiskárna údajně umožňuje výstavbu budovy čtyřikrát rychleji než konvenční prostředky za polovinu nákladů. Urbee, hybridní automobil navržený společností Kor Ecologic, je dvousedadlový automobil, který se odhaduje na zhruba 20 000 $ a dosahuje až 200 mil za galon..

5. Osobní použití
Lidé budou moci tisknout zakázkové šperky, domácí potřeby, hračky a nástroje na jakoukoli velikost, tvar nebo barvu, kterou chtějí, a budou moci tisknout náhradní díly doma, místo aby si je objednali a čekali na dodání. . Podle výzkumné firmy Strategy Analytics by se domácí 3D tisk mohl do roku 2030 vyvinout v odvětví 70 miliard dolarů ročně.

3D tiskárny pro potraviny mohou dokonce konečně vyřešit problém, jak přimět děti, aby jedly zeleninu, protože rodiče budou schopni formovat je do všech druhů tvarů. Snad by bylo možné přesvědčit ošuntělého batole, aby jedl růžičkové klíčky, pokud by byly připraveny ve formě dinosaura.

Překážky 3D tisku

I když je příslib 3D tiskáren značný, je třeba překonat stejně významné překážky, než dosáhne očekávání zastánců odvětví.

1. Nedostatek jednoduchých, levných spotřebních tiskáren
3D tiskárny prodávající za méně než 1 000 $ mají omezené možnosti, mohou být obtížně ovladatelné, mohou být nespolehlivé a mohou vyžadovat použití ruční sestavy. I když tyto vady budou nakonec překonány, může trvat značný počet pokusů a omylů a čas, než bude dostupný cenově dostupný model spotřebitele.

V článku z roku 2013 o strategii + podnikání se uvádí, že „bez ohledu na to, jak levné se 3D tiskárny stanou, výrobní závod bude i nadále nabízet úspory z rozsahu surovin pro tisk artefaktu.“ Článek se také ptá, zda spotřebitel použije 3D tiskárnu doma k výrobě plastové vidličky nebo šachové figurky, pokud si ji může koupit od místního Walmartu..

2. Nedostatek vhodných materiálů pro tisk
Tiskárny, které jsou v současné době k dispozici za spotřebitelské ceny (2 500 USD a méně), se spoléhají na technologii modelování depozičního modelování a plasty PLA a ABS. Tento materiál není robustní a má omezenou použitelnost. Odborníci se domnívají, že příští generace bude muset využívat uhlíkové kompozity a kovy, pokud má být užitečná pro průměrného spotřebitele.

Článek z roku 2014 v britském časopisu The Telegraph se zasazuje o zastánce nové technologie, která prohlašuje tyto jasné budoucnosti, a poznamenává, že i úspěšné domácí 3D tiskárny „vytvářejí modely, které vypadají, jako by byly ponechány na chladiči několik hodin.“ Spisovatel dále poznamenává, že zatímco je vše v pořádku, nahrát zbraňové díly na internet, ale bez prostředků na kov (kapacitní 3D tiskárna ještě nemá), „je pravděpodobnější, že si sundáte paži než vystřelte kulku. “

3. Potřeba znalostí CAD designu
Soubory ke stažení pro různé objekty jsou sice dostupné z webů jako Thingiverse a Shapeways, ale obecně jsou technické a nemusí být kompatibilní s každou 3D tiskárnou. Vzhledem k marketingovému humbuku, který obklopuje tiskárny, mohou být zobrazeny jako jednodušší obsluha než zkušenosti skutečných uživatelů.

Tom Meeks, přispěvatel do blogu Uživatelé 3D tiskáren, upozorňuje na paralelu mezi 3D tiskárnami a systémem kávovarů Keurig a na důležitost designu spotřebitele a snadného používání, přičemž poznamenal, že trvalo to, než Keurig trvalo 16 let, než získal tržní přijetí, jaké má dnes. A je třeba si uvědomit, že existuje mnohem více konzumentů kávy než potenciálních uživatelů 3D tiskáren. Odborníci na marketing se domnívají, že tiskárny musí být stejně snadno ovladatelné jako běžné laserové nebo jehličkové tiskárny, pokud mají najít širokou přijatelnost.

4. Pomalý, chaotický a potenciálně nebezpečný
Přestože jsou tiskárny ideální pro jedinečné nebo komplikované drahé objekty, jsou pro hromadnou výrobu příliš pomalé. Použité materiály a jejich emise během používání, zejména prášky, mohou být špinavé a potenciálně toxické. Konečně, současné 3D tiskárny využívající plast PLA pracují při velmi vysokých teplotách (220 až 230 stupňů). I když tyto problémy nejsou nepřekonatelné, jejich překonání bude vyžadovat čas a investice.

Závěrečné slovo

Není známo, zda 3D tiskárny budou mít dopad na televizi, počítač nebo mobilní telefon podle očekávání jeho obhájců. Jak se technologie vyvíjí, možnosti a výhody jsou nekonečné. Jistě je to technologie, kterou by měl bystrý spotřebitel být vědomý a připraven k použití, jak dozrává a stává se spotřebitelským produktem..

Co myslíš? Máte zájem o 3D tiskárnu?