3D-печать. 

Все для войны

НЛО, ноябрь 2015

Жизнь как супермаркет – бери что хочешь! А на выходе – касса…

 

Еще 10 лет назад про это устройство рассказывали исключительно в научных СМИ, а воспринималось оно как фантастическая технология будущего. Два года назад проводили презентации рабочих моделей, правда, стоили они сотни тысяч долларов. В этом году (2013г.)

на выставке Cebit представили модели за $1,5 тыс. для домашнего использования, а уже сегодня в продаже на сайте производителя есть устройства за $600–700 (создают любые детали из пластика).

На 3D-принтерах создают оружие, мебель, человеческие органы, женское белье и печеньки. В Европе и США народ уже зарабатывает первые миллионы, печатая игрушки и аксессуары… а мы в России только вчера заметили, что на планете появилась новая индустрия. (Первый русскоязычный портал о 3D-печати и 3D-принтерах)

3D-принтеры создают реальные, осязаемые вещи из виртуальных моделей. Поэтому, в первую очередь, в программе для 3D-моделирования создается цифровая версия будущего объекта. Затем модель обрабатывается специальной программой («слайсер» или «генератор G-кода»). Исходный объект “разрезается” на тонкие горизонтальные слои и преобразуется в цифровой код, понятный 3D-принтеру.

Существует множество типов 3D-принтеров, различающихся по устройству и принципам работы. Однако, все эти приборы используют один и тот же базовый принцип 3D-печати — построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала. Печатающая головка, как ясно из названия, формирует слои материала, постепенно выращивая из них объект. Она движется только в горизонтальной плоскости (вдоль осей X и Y). Рабочая платформа служит для размещения объекта при печати, она двигается сверху-вниз (по оси Z).

 

Технологию 3D-печати по достоинству оценили такие мировые промышленные гиганты, как Airbus, Boeing, General Electric, Ford, Siemens, специалисты NASA и британские военные, не говоря об инженерах, ученых, медиках, огромном количестве мелких предпринимателей и простых пользователей.

Основные 7 технологий 3D печати

I. Те которые что-то выдавливают или выливают или распыляют

1) FDM (fused deposition modeling) принтеры которые выдавливают какой-то материал слой за слоем через сопло-дозатор. Все мэйкерботоподобные принтеры + принтеры Stratasys + различные кулинарные принтеры (используют глазурь, сыр, тесто) + медицинские которые печатают “живыми чернилами” (когда какой-либо набор живых клеток помещается в специальный медицинский гель которые используется далее в биомедицине)
2) Технология Polyjet , была изобретена израильской компанией Objet в 2000 г. в 2012 их купили Stratasys. Суть технологии: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ излучения. Важная особенность, отличающая PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.
Преимущества технологии: а) толщина слоя до 16 микрон (клетка крови 10 микрон) б) быстро печатает, так как жидкость можно наносить очень быстро. Недостатки технологии: а) печатает только с использованием фотополимера — узко-специализированный, дорогой пластик, как правило, чувствительный к УФ и достаточно хрупкий. Применение: промышленное прототипирование и медицина
3) LENS (LASER ENGINEERED NET SHAPING)
Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера мгновенно спекается и слой за слоем формирует трехмерную деталь. Именно по такой технологии печатают стальные и титановые объекты.
Поскольку до появления этой технологии печатать можно было только объекты из пластика, к 3D печати особенно серьезно никто не относился, а эта технология, открыла двери для 3D печати в “большую” промышленность. Порошки различных материалов можно смешивать и получать таким образом сплавы, на лету. Применение: например, титановые лопатки для турбин с внутренними каналами охлаждения. Производитель оборудования: Optomec
4) LOM (laminated object manufacturing)
Тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект. Т.е. укладывается тонкий лист материала, который вырезается по контуру объекта, таким образом получается один слой, на него укладывается следующий лист и так далее. После этого все листы прессуются или спекаются.
Таким образом печатают 3D модели из бумаги, пластика или из алюминия. Для печати моделей из алюминия используется тонкая алюминиевая фольга, которая вырезается по контуру слой за слоем и затем спекается с помощью ультразвуковой вибрации.

II. Те которые что-то спекают или склеивают

1) SL (Stereolithography) Стереолитография.
Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того как один слой готов платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту далее запекается следующий слой и так далее. Иногда происходит наоборот: платформа с деталью поднимается вверх, лазер соответственно расположен снизу…
После печати таким методом, требуется обработка объекта — удаление лишнего материала и поддержки, иногда поверхность шлифуют. В зависимости от необходимых свойств конечного объекта модель запекают в т.н. ультрафиолетовых духовках.
Фотополимер зачастую бывает токсичным поэтому при работе с ним нужно пользоваться средствами защиты и респираторами. Содержать и обслуживать такой принтер дома — сложно и дорого
Преимущества: быстро и точно, точность до 10 микрон. Для спекания фотополимера достаточно лазера от Blu-ray проигрывателя, благодаря чему на рынке появляются дешевые при этом точные принтеры работающие по такой технологии (e.g. Form1).
2) LS (laser sintering)
Лазерное спекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.
Преимущества: а) менее вероятно, что деталь сломается в процессе печати, так как сам порошок выступает надежной поддержкой б) материалы в порошковой форме довольно легко найти в продаже в том числе это могут быть: бронза, сталь, нейлон, титан
Недостатки: а) поверхность получается пористая б) некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом в) спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают, в зависимости от размера и толщины слоев, некоторые предметы могут остывать до одного дня.
3) 3DP (three dimensional printing)
Технология изобретена в 1980 году в MIT студентом Paul Williams, технология была продана в несколько коммерческих организаций, одна из которых — zCorp, в настоящее время поглощена 3D Systems.
На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. На выходе, как правило, получается материал sandstone (похожий по свойствам на гипс)
Преимущества: а) так как используется клей, в него можно добавить краску и таким образом печатать цветные объекты б) технология относительна дешевая и энергоэффективная в) можно использовать в условиях дома или офиса в) можно печатать используя порошок стекла, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки. Используя похожу технологию можно печатать съедобные объекты например из сахара или шоколадного порошка. Порошок склеивается специальным пищевым клеем, в клей может добавляться краситель и ароматизатор. Как пример, новые 3D принтеры от компании 3D systems, которые были продемонстрированы на CES 2014 — ChefJet и ChefJet Pro
Недостатки: а) на выходе получается достаточно грубая поверхность, с невысоким разрешение ~ 100 микрон б) материал нужно подвергать постобработке (запекать), чтобы придать ему необходимые свойства.

Украшения из металлического порошка, напечатанные 3D принтером

Основные характеристики 3D-печати

Разрешение печати

Ключевая характеристика любого 3D-принтера — «разрешение печати». Под этим параметром понимают минимально допустимую высоту слоя материала, с которой может печатать данный 3D-принтер. Разрешение печати принято обозначать в микрометрах (мкм, микрон), т.е. тысячной доле миллиметра.

С другой стороны, чем тоньше слои, тем больше времени 3D-принтеру нужно затратить на создание объекта, тем больше нагрузка на печатающие механизмы, быстрее происходит их износ.

Разрешение печати зависит от многих факторов:

• от технологии работы 3D-принтера (например, лазерные принтеры печатают самые детализированные модели);
• от точности работы печатающих механизмов конкретной модели;
• от выбранного материала для 3D-печати;
• и, наконец, от настроек программного обеспечения.

Область печати

Еще одной важной технической характеристикой любого 3D-принтера является его рабочий объем («область печати», «зона печати» и т.д.). Именно он показывает, какого размера объекты может печатать конкретная модель 3D-принтера

Поддерживающие конструкции

Еще один термин, который довольно часто встречается в описаниях 3D-принтеров, это «структуры поддержки» («поддерживающие конструкции», «конструкции поддержки» и т.д.). Как быть с деталями, не имеющими начала на основании, висящими в воздухе? Принтеру для наложения слоев материала нужна какая-то основа — поверхность рабочей платформы или предыдущие слои материала. Он не может начать печатать в пустоте. В таких случаях, создаются поддерживающие конструкции. По завершении печати объекта, поддерживающие конструкции удаляются

Материалы для печати

Преимущества 3D-печати

1. Свобода творчества

3D-принтеры могут создавать объекты практически любой формы и сложности. Если вы можете “нарисовать” модель в 3D-редакторе, принтер ее напечатает. Это открывает потрясающие возможности как для промышленности, так и для простых пользователей. А для дизайнеров и художников, 3D-принтер — просто неоценимая находка.

2. Большое разнообразие материалов

3D-принтеры могут использовать для печати больше сотни типов материалов, и этот список постоянно расширяется и дополняется. Это не только огромное количество самых разнообразных пластиков и полимерных смол, но и металлы, бумага, керамика, ткань, пищевые продукты, соль, лунный и марсианский грунт и даже живые клетки! Более того, 3D-принтеры способны полноценно работать с материалами, обработка которых при помощи классических методов очень сложная и дорогостоящая. Например, сплав Inconel 625, из которого американская компания SolidConcepts напечатала свой пистолет. Это настолько твердый материал, что его механическая обработка практически невозможна.

3. Универсальность и снижение трудоемкости

Для создания сложного объекта не нужен цех с разными станками, пресс-формы и формы для литья. Для этого достаточно всего одного 3D-принтера. По сути, это целая фабрика в одном устройстве. 3D-печатный ракетный двигатель Aerojet Rocketdyne успешно прошел испытания

4. Простота в использовании

Для создания объекта на 3D-принтере не нужно ничего, кроме самого принтера, материала для печати и компьютерной 3D-модели. Пищевые 3D-принтеры.

5. Экономичность

Выше мы рассмотрели базовый принцип аддитивного производства. Послойное создание предмета подразумевает собой практически полное отсутствие отходов, т.к. объект создается не из болванки, с которой удаляется много ненужного материала, а послойно, с использованием только необходимого его количества. Нужно заметить, что полная безотходность не всегда возможна. Объекты после 3D-печати обычно проходят постобработку, во время которой удаляются шероховатости, заусенцы и поддерживающие конструкции, но, по сравнению с классическим производством, количество отходов незначительное. Кроме того, отходы 3D-печати легко переработать.

4. Быстрота создания объектов и гибкость технологии

Цифровая модель, 3D-принтер, несколько часов его работы и объект готов. Современная технология 3D-печати основана на разработках в области быстрого построения прототипов и макетов. Инженеры, конструирующие какой-либо механизм, перед запуском в производство, должны его опробовать и устранить недостатки. Для этого и создаются рабочие прототипы будущей продукции.

5. Использование 3D-принтеров в медицине

Этот пункт я специально выделил отдельно. Дело в том, что, если с изготовлением различных изделий промышленность долгое время справлялась и без 3D-принтеров, то технологий, способных эффективно заменить биомедицинскую 3D-печать, просто не существует. В настоящее время ведутся разработки в области создания искусственных органов и тканей тела, новых эффективных лекарств и лечения сложных болезней. Протезы и хирургические имплантаты, напечатанные на 3D-принтере — уже реальность. Конечно, все описанное выше выглядит ожившей фантастикой, сказкой. Однако, и на солнце бывают пятна. Поэтому, рассмотрим и недостатки 3D-принтеров.

Недостатки 3D-печати

1. Ограничения, связанные с особенностями аддитивного производства

Так как 3D-принтеры создают объекты послойно, очевидно, что между этими слоями, какими бы тонкими они ни были, всегда будет граница-переход. Это означает, как минимум, что поверхность созданных объектов будет шероховатой и матовой. Особенно это касается относительно дешевых домашних 3D-принтеров. Конечно, дефекты поверхности исправляются в процессе постобработки, но это все равно затраченное время, труд и деньги. Слоистая структура объектов также означает их меньшую прочность по сравнению с деталями, выточенными на станке из цельного куска металла. Например, инженерам Siemens пока что не удается напечатать на 3D-принтере жаростойкие детали для газовых турбин. С другой стороны есть, пистолет SolidConcepts, успешно прошедший испытания стрельбой (а это немалые нагрузки).

2. Ограничения в размерах объектов

3D-принтеры способны печатать относительно небольшие объекты — такие,  которые могут уместиться на их рабочей платформе. Т.е. они не смогут напечатать целиком, например, дом. Правда, уже сейчас существует прототип 3D-принтера, размеры рабочей платформы которого практически неограниченны, но о внедрении такой технологии говорить пока рано. Самый большой 3D-принтер. В Шанхае за сутки возвели десять 3D-печатных домов.

3. Высокая цена

Не будем упоминать профессиональные промышленные устройства — там счет идет на десятки и сотни тысяч долларов. Что касается бытовых, настольных 3D-принтеров, то стоимость большинства из них начинается с 400-500 долларов. Прибавьте сюда еще стоимость расходных материалов и обслуживания. В связи с этим, стоит упомянуть одно очень известное электронное устройство. Мобильные телефоны каких-то 20 лет назад были доступны только очень богатым людям, а сейчас — практически всем. Очевидно, что по мере развития технологий, например, удешевления производства электроники, будут снижаться цены и на 3D-принтеры.

4. Незаконная 3D-печать оружия

В некоторых странах Запада в последнее время всерьез занялись вопросом, касающимся бесконтрольного производства огнестрельного оружия. Поводом для этого послужило появление предельно дешевого пластикового пистолета Liberator, который не обнаруживается металлоискателями. Нужно заметить, что 3D-печать — это просто технология, она не может быть ни хорошей, ни плохой. Все дело в способах ее применения. Естественно, найдутся люди, которые захотят использовать 3D-принтеры в противозаконных целях.

5. Сокращение существующих производств

К недостаткам 3D-печати часто относят потенциальное снижение потребности промышленности в рабочей силе. Попросту говоря, много простых рабочих рискует быть уволенными, т.к. один принтер способен заменить несколько станков. В то же время, для разработки и обслуживания 3D-принтеров потребуются высококвалифицированные инженеры и техники. С другой стороны, сокращение одних направлений и перетекание инвестиций в другие, новые и более перспективные отрасли — нормальное и закономерное явление в экономике. Многим будет нелегко освоить технологии 3D-печати, но мы ведь как-то освоили компьютеры?

Ракеты

 

Американская оборонная компания Raytheon осваивает производство управляемого ракетного оружия с помощью 3D-печати. Источник: "Агентство по инновациям и развитию", http://www.innoros.ru/news/15/07/3d-tekhnologii-boevoe-primenenie

«У нас сложилась определенная иерархическая схема процесса производства. Из соответствующих материалов мы изготавливаем каркас, корпус, монтажные платы, а затем собираем их в готовое изделие, – говорит МакКэррол. – Что нам представляется возможным в ближайшем будущем – это 3D-печать элементов электроники, но тем не менее с необходимостью дальнейшей сборки. В конечном счете нам бы хотелось печатать все сразу – полностью готовое изделие. В настоящий момент Raytheon печатает 80% комплектующих, которые пойдут на сборку боевых ракет». 

Ракетные двигатели

 

 

Современные 3D-принтеры способны производить не только еду и всякие декоративные безделушки. Например, оказалось, что экономически целесообразно производить таким способом целые ракетные двигатели. Более того, таких проектов сейчас ведётся уже несколько, в том числе есть подобный принтер и у NASA. В последнем случае, правда, 3D-принтер используется пока для производства составных частей подобных двигателей. Эксперты единым хором говорят, что уже через 5-6 лет 3D-печать будет использоваться в этой отрасли повсеместно. http://blogerator.ru/page/3d-pechat-industrialno-cifrovaja-revoljucija-3d-printer-makerbot-cena-opisanie-perspektivy-1

Самолеты

Британские Королевские ВВС, как сообщалось The Australian, провели испытания самолётов-истребителей, в конструкцию которых включены детали, произведённые с помощью 3D-принтеров. Металлические компоненты, созданные таким образом, использовали при постройке истребителей Tornado, рассказали представители оборонной компании Великобритании BAE Systems. Они заявили, что дальнейшее использование сотрудниками компании технологий 3D-принтеров в процессе производства и проектирования авиадеталей, по-видимому, сократит расходы ВВС Великобритании уже за ближайшие четыре года на £1,2 млн ($2,23 млн). BAE Systems разрабатывает детали для четырёх эскадрилий самолётов Tornado GR4, в частности – производит защитное покрытие кабин этих истребителей. При использовании новейших технологий цена на некоторые детали не превышает £100. http://articles9.com/news/velikobritaniya-voennyie-samolyotyi-s-raspechatannyimi-na-3d-printere-detalyami-vpervyie-podnyalis-v-vozduh/  

Стрелковое оружие

Успешно предприняты несколько попыток производства полностью функционального оружия. Например, группа разработчиков под руководством Коди Уилсона (Cody Wilson) демонстративно выбрала для клонирования самое популярное в США оружие (М-4), чтобы продемонстрировать перспективность технологии 3D-печати и их доступность практически для любых целей. Если в 2011 году такие образцы были скорее одноразовыми, то последние «печатные» экземпляры оружия становятся всё более надежными и настоящими.

 

Уже несколько коллективов в США продемонстрировали концепт-производство самого разного оружия на подручных 3D-принтерах, некоторые проекты даже дают возможность свободно скачать уже готовые 3D-модели для всех желающих (самый известный из них, пожалуй, это Wiki Weapon Project). (Кино)

 

 

Кольт 1911 распечатали на 3D принтере.

Как сообщает The Huffington Post, пистолет изготовлен из 30 отдельных частей. Он собран по «классическим чертежам» Джона Мозеса Браунинга 1911 года. При его создании использовалась технология лазерной сварки металлов. Подобная технология также применяется при производстве автомобильных запчастей и медицинских инструментов. На 3D-принтере была также распечатана нейлоновая рукоятка с углепластиковой подложкой. По данным газеты, для того чтобы напечатать 3D-пистолет, необходим специальный принтер, стоимостью примерно $850 тыс.
В американской компании Solid Concepts, обладающей лицензией на производство оружия, подчёркивают, что разработка подобной модели не нарушает законов США. Целью проекта было доказать, что при помощи 3D-печати возможно создание не только недолговечных пистолетов из пластика, но и серьёзного огнестрельного оружия.
Ранее напечатать и протестировать пистолеты из пластика удалось полицейским Австралии. Для производства были использованы материалы американской фирмы Defense Distributed. По словам комиссара Эндрю Сципионе, напечатанный 3D-пистолет «является не потенциально, а реально опасным». Кроме того, подобное оружие делается из материалов, которые невозможно обнаружить при досмотре в аэропорту.

Американский оружейник Коди Уилсон представил 3D-пистолет Liberator («Освободитель») c металлическим бойком, рассчитанный на один выстрел. Правда, под давлением властей автор удалил со своего сайта 3D-чертежи пистолета.   

Возрастающие возможности 3D-печати позволяют теперь создавать индивидуальное оружие не выходя из дома, без лицензий и разрешений – а это значит, что люди будут придумывать и создавать все более убийственное оружие.  Но запретить создавать оружие, а тем более, запретить использование инструментов, с помощью которых можно его создать – практически невозможно. По мере развития 3D-печати, будет появляться все больше коммерческих и некоммерческих производителей неучтенного огнестрельного оружия.

Роботы

Одноразовые роботы

В Германии придумали и напечатали на 3D-принтере восьминогого робота-паука, который не стоит таких больших денег, вследствие чего его можно выкинуть после первого же использования. Модель проста, своей конструкцией она обязана настоящим паукам. Именно от них ноги робота приобрели свою технику движения. Настоящие пауки не используют сложные мышцы, они используют гидравлическую систему. Каждая двадцатисантиметровая конечность робота-паука так же как настоящая паучья конечность перекачивает жидкость, меняя давление в определённых местах. Таким образом все восемь ног двигаются. (Подобная технология была использована и Boston Dynamics при создании их робота-солдата Petman.)

Моделирование и прототипирование

 

В статье, опубликованной в журнале Bioinspiration & Biomimetics, Эрик Энджеберг, доктор философии, доцент на кафедре Океана и машиностроения, описывает процесс разработки и испытаний этого роботизированного пальца, который создан из сплава с эффектом памяти (СЭП). При этом использовалось 3D-моделирование человеческого пальца, технология 3D-печати и уникальная технология термотренировки. http://www.robogeek.ru/nauchnye-razrabotki-programmnoe-obespechenie/robotizirovannyi-palets-vyglyadit-i-deistvuet-sovsem-kak-nastoyaschii

 

Сделано в 3D-принтере?