УДК 338.27 Прошин А.А., Горячев Н.В., Горячева Е.П., Каракулов

УДК 338.27
Прошин А.А., Горячев Н.В., Горячева Е.П., Каракулов Е. С., Юрков Н.К.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 3D ПРИНТЕРОВ
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Аннотация
Трехмерная печать уверенно вошла в нашу жизнь, и служит прогрессом в различных
отраслях науки и техники. Ниже рассмотрим различные области применения
трехмерной печати.
Ключевые слова: печать, 3D-печать, объект, модель, макет, материал, пластик, нагрев,
полимер, гипс.
Proshin A.A., Goryachev N.V., Goryacheva E.P., Karakulov E.S., Yurkov N.K.
APPLICATIONS OF 3D PRINTERS
FGBOU VPO «Penza state University»
Abstract
Three-dimensional printing confidently came into our lives, and serves as a progress in the
various branches of science and technology. The following look at the different areas of
application of three-dimensional printing.
Keywords: Printing, 3D-printing, object model, layout, material, plastic, heating the polymer
plaster.
Архитектура
Одной из наиболее распространенных сфер 3D-печати является архитектура и
строительство. Принтерами для печати трехмерных объектов пользуются не только
крупные компании, но и небольшие архитектурные студии по всему миру. Такая
популярность связана с тем, что 3D-печать является революцией в области
строительного макетирования, востребованного в архитектуре, инженерии, дизайне и
науке.
Изготовление макетов зданий по традиционным технологиям — процесс
длительный, трудоемкий и весьма дорогой. Технология 3D-печати позволяет
значительно уменьшить сроки исполнения и улучшить качество детализации,
максимально приближая ее к оригиналу (рисунок 1). При этом основная часть работы
по проектированию ведется на компьютере с использованием современных
программных средств 3D-моделирования.
От того, где и как будет демонстрироваться макет, зависит и необходимая
степень точности, и выбор материалов. Если необходимо использовать макет здания в
качестве элемента постоянной экспозиции, то не стоит экономить на выборе
технологии печати и материалах построения. Наиболее часто для создания
архитектурных макетов используют принтеры ProJet и ProJet x60 (ZPrinter) (рисунок 2).
Макеты зданий, напечатанные фотополимерами, монохромны, обладают
отличной детализацией, минимальной толщиной слоя, не выцветают и не теряют
форму со временем. Результат печати порошком на основе гипса в четыре раза дешевле
композиции из фотополимеров и может включать около 400 тыс. оттенков, но имеет
ограничения в толщине стенок и шероховатую поверхность. Средним звеном между
фотополимером и гипсом является АБС-пластик. Несмотря на то, что цветопередача
АБС-пластика ниже аналогичного показателя у гипса, прочность пластика значительно
выше. Есть возможность выбора из нескольких цветов: белого, красного, синего, серого
и черного.
Рисунок 1 – Макет дома
Ограничений не существует — с помощью 3d-принтера по низкой цене можно
создать здания самых футуристических форм. Цена такой формы зависит от количества
и качества затраченного на её изготовление материала. При надлежащем качестве
прототип можно использовать для:
 Формирования сложных поверхностей и геометрий при создании
архитектурного дизайна зданий
 Сборки моделей зданий из различных элементов для создания одного
большого ансамбля
 Наглядного образца построенного в будущем здания.
ProJet 160
ProJet 260C
ProJet 360
ProJet 860Pro
Рисунок 2 – Архитектурные 3D-принтеры
Дизайн и реклама
3D-печать становится все более популярной и доступной не только крупному
бизнесу, но и небольшой дизайнерской студии или рекламному агентству. С помощью
3D-оборудования дизайнеры в России повышают качество своей работы, при этом
экономя значительные средства.
Применение 3D-принтера открывает широкие возможности. С его помощью
можно в короткий срок сделать нужный дизайн-макет или рекламный продукт любой
сложности.
Не секрет, что стадия производства и продвижения товара играет важнейшую
роль в создании имиджа бренда и маркетинговой стратегии. Именно поэтому товар не
сразу выводится на рынок — производится визуальный анализ пробной модели, анализ
эргономики, исследование фокус-группы.
За время разработки и тестирования модель может несколько раз
видоизмениться, поэтому экономичнее и практичнее будет создать макет товара на 3Dпринтере (рисунок 3). Материалами для прототипа могут служить гипс, фотополимеры
или ABS-пластик, в зависимости от конечной цели.
С помощью 3D-печати можно передать не только форму будущего объекта, но и
детализировать его выгодные стороны. Благо, цветная печать текстуры, высокая
детализация и качество поверхностей позволяют быстро получить нужный результат.
Рисунок 3 – Макет мотоцикла
В процессе работы над новым проектом трудно выявить различные ошибки и
недостатки, используя только экран дисплея или обычные чертежи. Лишь имея
реальную физическую модель будущего изделия, разработчик может выявить и
устранить конструкторские ошибки, скорректировать дизайн макета. Например, первая
дизайнерская пара обуви, напечатанная на 3D-принтере, появилась в 2011 году.
Сегодня обувь, напечатанная на трехмерных принтерах по индивидуальным заказам,
очень популярна, а некоторые ее экземпляры красуются на ведущих подиумах мира.
3D-принтеры позволяют изготавливать пробные макеты упаковок, флаконов и
бутылок оригинальной формы. Прототипы могут быть цветными, с включением всех
элементов дизайна, в том числе этикеток, штрих-кодов, фирменных знаков.
Готовые модели упаковки могут быть продемонстрированы заказчику перед
запуском в массовое производство. Преимущество 3D-прототипов налицо: заказчик
может подержать упаковку в руках, оценить ее фактуру, текстуру, цветовое
оформление и другие характеристики.
Возможности использования 3D-принтера в рекламе и дизайне ограничиваются
лишь фантазией разработчика. Например, с помощью этого оборудования известная
голливудская студия создавала лица героев для стоп-моушен мультипликации.
В традиционной стоп-моушен мультипликации изменение мимики персонажа
достигалось путем изготовления вручную глиняных моделей и, как правило,
ограничивалось диапазоном наиболее распространенных выражений без возможности
передачи тонких нюансов. Героям не хватало живости и подвижности. С полноцветным
3D-принтером ProJet 660Pro (рисунок 4) от компании 3D System, использованным в
2012 году студией LAIKA в процессе создания анимационного фильма ParaNorman,
мультипликаторы смогли достичь небывалой ранее реалистичности в технике
покадровой съемки.
Благодаря ProJet 660Pro было напечатано более 8 000 уникальных выражений, в
отличие от возможных ранее нескольких сотен. Точность печати обеспечила более
реалистичную передачу движений и мимики персонажей, а также позволила тщательно
выполнить мельчайшие детали: представьте, например, множество веснушек на лице
героя, которые крайне сложно было бы передать с помощью ручной окраски.
Максимальная точность исполнения модели – очень важное качество для студии,
поскольку малейшее отличие становится весьма заметным.
Ранее в анимации применялись и другие 3D-принтеры, но ProJet обладает
важным преимуществом, печатая в цвете. Принтер оказался способен воспроизвести
яркие и насыщенные цвета, выбранные в палитре PhotoShop. Глубина прокраски
(приблизительно 0.025 дюйма) сообщила персонажам LAIKA более реалистичные
телесные оттенки.По словам президента и генерального директора LAIKA Трэвиса
Найта, 3D печать — это «наконечник инновационного копья», позволяющий повысить
планку профессионализма.
ProJet 660Pro
ProJet 860Pro
uPrint SE
Рисунок 4 – 3D-принтеры, используемые в дизайне и рекламе
Литейное производство
3D-печать дает возможность изготавливать мастер-модели для литейных форм
по данным файлов, разработанных в CAD-программе. Время создания мастер-модели
на 3D-принтере намного меньше времени производства формы для литья
традиционными способами. Благодаря 3D-технологиям, модельный материал
заливается непосредственно в созданную на основе мастер-модели литейную форму.
3D-принтеры открывают перед конструкторами широкие возможности по созданию
прототипов деталей, производство которых другими методами требует значительных
материальных и временных затрат.
В применяемых ранее технологиях создание литейной пресс-формы включало в
себя 3D-моделирование и изготовление мастер-модели с использованием фрезерной
доводки. Такая доводка была достаточно трудоемкой и имела множество недостатков, а
получить отдельные элементы, например, выпуклую маркировку на плоских и
конических участках изделия не представлялось возможным. Такая же ситуация и с
деревянными мастер-моделями. Их облепляли специальной смесью бетонита и песка,
благодаря чему способ получил название «литья в землю». Эти операции требовали
огромных затрат рабочей силы и времени.
3D-печать многократно ускоряет рабочий цикл создания формы для отливки
(рисунок 5). Наиболее эффективно технология показала себя при изготовлении мастер-
модели из фотополимера или из воска. На работу 3D-принтера уходит всего несколько
часов в отличие от длительной и кропотливой ручной работы.
Кроме того, мастер может быть уверен, что получит изделие, соответствующее
цифровой модели на 100%. Фотополимер при сжигании не оставляет золы, поэтому нет
необходимости в очистке литейной формы. Восковая мастер-модель обладает гладкой
поверхностью и низкой температурой плавления — на уровне 70⁰C, что позволит без
труда получить качественную форму для отливки.
ProJet 1200
ProJet 3510 CPX
ProJet CPX 3500Max
Рисунок 5 – 3D-принтеры для высокоточного литейного производства
Образование
Применение 3D принтеров (рисунок 6) в области образования постепенно
становится идеальным решением для вовлечения школьников и студентов в
образовательный процесс. Использование 3D печати в школах и университетах делает
обучение интересным и увлекательным, понятным и доходчивым, позволяет учащимся
потрогать то, что представляют собой сложные и не всегда понятные абстракции и
теории, отображенные в их тетрадях, ознакомиться с характеристиками и свойствами
изучаемого предмета, получить наглядное представление о его функциях.
Прототипирование применяется многими ведущими западными, и все чаще
отечественными, высшими и общеобразовательными учреждениями. 3D принтеры
совершенствуют процесс обучения, развивают у школьников и студентов образное
мышление,
приучают
будущих
специалистов
к
автоматизированному
программированию и проектированию.
В образовании 3D принтер вещь не заменимая, особенно если речь идет о
технических вузах. Студенты могут разрабатывать дизайн предметов, деталей и
макетов прямо в аудитории, распечатывать, оценивать и тестировать их. 3D печать,
включенная в учебную программу инженерных дисциплин, дает возможность
студентам воплощать в жизнь свои конструкторские замыслы и идеи, тем самым
увеличивает долю инноваций в их проектах.
Студенты, использующие 3D принтер в образовательных целях, получают
возможность учиться на собственных ошибках. Ведь на бумаге или компьютере изъяны
той или иной модели заметить не всегда можно, а создавая макет или какую-нибудь
деталь, ученик, смоделировав ее на компьютере в 3D программе, уже через небольшой
промежуток времени держит ее в руках. Если что-то не получается, то это не проблема,
можно попробовать еще и еще.
Трехмерная печать и прототипирование совершенствуют образовательный
процесс в рамках различных специализаций и специальностей, включая архитектуру
(создание наглядных макетов), промышленный дизайн и машиностроение
(механическое конструирование), химию и биологию (применение 3D принтера при
молекулярном моделировании), географию и археологию (географы и археологи могут
работать над 3D-моделированием местности), медицинское моделирование и
хирургическое планирование и т.д.
В высших учебных заведениях и в школах 3D-печать и 3D-принтеры должны
становиться неотъемлемой частью обучения. Если же образовательные учреждения в
нашей стране не будут использовать новые технологии, они перестанут быть понастоящему образовательными.
MakerBot Replicator Mini MakerBot Replicator Z18
MakerBot Replicator 2
MakerBot Replicator 2x
Рисунок 6 – 3D-принтеры для учебных заведений
Потребительские товары
Большинство потребительских товаров, таких как чехлы для телефонов,
шахматы с неповторимым дизайном, брелоки и многое другое изготавливается не
методом литья, а с помощью 3D-принтеров (рисунок 7). Преимущества трехмерной
печати очевидны, так как скорость такого производства намного выше традиционных
методов изготовления массовых товаров
Использование 3D-принтеров для создания уникальных игрушек и сувениров
уже ни у кого не вызывает удивления. Теперь легко получить готовый полноцветный
прототип перед запуском изделия в массовое производство. Анализ прототипа
позволяет изучить текстуру будущего изделия, его форму и размер.
Чаще всего сувенирные изделия печатают из гипсовых материалов,
дополнительно обработанных для увеличения прочности готового изделия. 3Dпринтеры печатают сувениры с различной цветностью, вплоть до полноцветной
текстуры в 390000 оттенков.
3D-печать дает возможность создавать различные полезные в быту вещи,
например, чехол для телефона. Если у вас есть оригинальная идея, чехол можно
нарисовать от руки, чтобы потом дизайнер разработал 3D-модель, или просто скачать в
интернете уже готовый образец. Наиболее интересны чехлы для телефонов с
двигающимися элементами, например, с шестернями.
ProJet 260C
ProJet 460Plus
ProJet 860Pro
ProJet 660Pro
ProJet 3510 HD
Рисунок 7 – 3D-принтеры для производства потребительских товаров
Промышленность
Трёхмерные технологии всерьез и надолго вошли в нашу жизнь. Они нашли
широкое применение в различных областях промышленности. Особенно это касается
мелкосерийного изготовления изделий, для которого технологическая цепочка
производства, требующая как времени, так и средств, попросту нерентабельна.
Промышленный 3D-принтер отличается от «офисного собрата» целым рядом
улучшенных характеристик. Главные особенности промышленной машины —
высочайшее качество, точность до нескольких микрон, большая площадь печати,
полный контроль процесса, практически полная автоматизация. Для установки такого
агрегата требуется достаточно большое помещение.
В качестве печатных материалов промышленный 3D-принтер может
использовать практически любые строительные материалы: пластик, металлы, в том
числе титан, гипс, керамические массы, цемент, стеклянный порошок и др. Притом
работа, направленная на выявление новых веществ, которые можно использовать в
качестве строительного материала, ведется постоянно, в результате чего появляются
все новые и новые композиты, пригодные для трехмерной печати.
Покупатели промышленных 3D-принтеров — компании, постоянно
нуждающиеся в печати больших точных моделей (рисунок 8), например, в
экспериментальном или постоянно развивающемся производстве. Одна из таких фирм
— General Electric, печатающая титановые части сложной конструкции, из которых
собирают авиационные двигатели.
Трехмерная модель, созданная в CAD-системе, не дает полного представления о
том, насколько жестко происходит фиксация деталей в сборочной единице. Прототипы
же, являясь аналогом окончательно изготовленных изделий, позволяют
проанализировать особенности их конструкции и своевременно выявить возможные
недостатки.
Рисунок 8 – Макет детали
Благодаря этому, 3D-принтеры используются на всех этапах разработки
продукта: начиная с создания концептуальной модели и заканчивая реальным
производством, что значительно ускоряет и упрощает процесс разработки для
конструкторов (рисунок 9).
Примеров использования 3D-принтеров в промышленности (рисунок 10) более
чем достаточно. В частности, с помощью этого оборудования компания Nippon Katan
спроектировала прототип башни-передатчика.
Nippon Katan Corporation — пионер в производстве силовых электролиний и
оборудования, начал использовать 3D-печать, чтобы повысить скорость и
эффективность изготовления кронштейнов и изоляторов для цепной линии
электропередач.
Рисунок 9 – Прототип башни-передатчика
Цепная линия обеспечивает существенную изоляцию между стальной башней и
электрическими проводами, по которым идет ток. Дизайн продукции разрабатывается
очень тщательно, прежде чем воплотить проект в конечный продукт. В то же время
нынешний технологический уровень требует соответствие изоляторов ряду
характеристик, в том числе устойчивости к условиям экстремальной погоды — дождю,
грозам, сильным ветрам и снегу.
ProJet
SD 6000
ProJet
HD 6000
ProJet
MP 6000
ProJet
SD 7000
ProJet
HD 7000
ProJet
MP 7000
Рисунок 10 – Промышленные 3D-принтеры
Медицина
3D-принтеры занимают все более важное место в работе любой
стоматологической клиники, зуботехнической лаборатории, исследовательских
центров (рисунок 11). С их помощью стоматологи не только повышают качество своей
продукции и услуг, но и экономят значительные средства. Кроме того, 3D-принтеры в
стоматологии гарантируют ускорение объемов производства и невероятную точность
готовых изделий.
3D-принтеры избавляют стоматологов от очень сложного и трудоемкого
процесса в работе — ручного моделирования протезов, коронок и других изделий.
Клиентам больше не нужно подолгу ждать и проходить весь сложный процесс от
первого визита до установки окончательной конструкции, проходя через череду
примерок и доработок. Теперь им нужно просто сделать сканирование ротовой полости
— и вскоре получить прекрасный результат.
Зубные техники обычно полагаются на твердость руки и хорошее зрение, их
работа очень трудоемкая и занимает много времени, чтобы получить приемлемый
результат. Трехмерная печать выводит стоматологический бизнес на производственные
мощности и обеспечивает стабильную точность. Теперь вы можете использовать
снимки и сканирование ротовой полости для быстрого моделирования CAD/CAM и 3Dпечати моделей коронок, мостовидовых протезов, гипсовых моделей и уникальных
ортодонтических инструментов.
ProJet 1200
ProJet DP 3510
Рисунок 11 – Стоматологические 3D-принтеры
Оружие
Инженеры из техасской компании Solid Concepts впервые в мире напечатали
металлический пистолет (рисунок 12). Они сделали это для демонстрации
возможностей современной промышленной 3D-печати и вовсе не ставят цель сделать
технологию доступной в каждом доме.
Рисунок 12 – Пистолет в разобранном виде
Для демонстрации был изготовлен культовый пистолет M1911, созданный
Джоном Браунингом. Это первый самозарядный пистолет, который начали
использовать в армии США, до этого у них были только револьверы. Детали пистолета
изготовлены методом прямого лазерного спекания металла (DMLS), таким же методом,
который использует НАСА для печати деталей ракетных двигателей. Только пружинки
были изготовлены отдельно. После печати детали были отполированы и подогнаны
друг к другу вручную. Во время испытаний пистолет доказал высокую точность
стрельбы. Было произведено более 600 выстрелов, при это пистолет сохранил
работоспособность. Пистолет состоит из 34 деталей. Принтер, изготовивший пистолет,
называется EOSINT M270 Direct Metal 3D Printer.
Представители компании говорят, что напечатали пистолет не для того, чтобы
сделать этот процесс более дешёвым и доступным каждому обывателю, а просто чтобы
продемонстрировать надёжность деталей, изготовленных методом DMLS.
Оборудование для печати по металлу не купишь дешевле $10 тыс., что большинство
энтузиастов 3D-печати не могут себе позволить
Компания Solid Concepts обладает лицензией на изготовление оружие и обещает
в течение пяти дней изготовить и выслать покупателю комплект 3D-деталей для сборки
пистолета. Естественно, сделать покупку может только гражданин США, имеющий
соответствующее разрешение.
Библиографический список
1. Grigor'ev A.V., Goryachev N.V., Yurkov N.K. Way of measurement of
parameters of vibrations of mirror antennas. 2015 International Siberian Conference on
Control and Communications (SIBCON). Proceedings. – Omsk: Omsk State Technical
University. Russia, Omsk, May 21−23, 2015. IEEE Catalog Number: CFP15794-CDR. ISBN:
978-1-4799-7102-2. DOI:10.1109/SIBCON.2015.7147031
2. Shirshov M.V., Yurkov N.K., Yakimov A.N .An estimate of the error in
constructing a geometric model of an antenna mirror by the Delone method. Measurement
Techniques. 2014. Т. 57. № 8. С. 919-925.
3. Михеев А.М. 3D-моделирование в интеллектуальной информационной
системе поддержки научного эксперимента для систем мониторинга и контроля
изделий ракетно-космической техники / А.М. Михеев, И.Ю.Семочкина // Надежность и
качество сложных систем. 2013. № 4. С. 28-32.
4. Сёмов А.А. Различные виды пространственного сканирования 3d
изображений / А.А. Сёмов // Труды международного симпозиума Надежность и
качество. 2015. Т. 2. С. 150-153.
5. Роганов В.Р., Четвергова М.В., Сёмочкин А.В. Проектирование систем
виртуальной реальности с позиции системного подхода: Современные проблемы науки
и образования. 2014. № 6. С. 199.
6. Роганов В.Р., Филиппенко В.О. Сравнительный анализ систем имитации
визуальной обстановки: Современные информационные технологии. 2014. № 19. С.
162-166.
7. Roganov V.R., Asmolova E.A., Seredkin A.N., Chetvergova M.V., Andreeva
N.B., Filippenko V.O. Problem of virtual space modelling in aviation simulators: Life Science
Journal. 2014. Т. 11. № 12s. С. 1097.
8. Roganov V.R., Miheev M.J., Seredkin A.N., Filippenko V.O., Semochkin A.V.
Capacity assessment of visual conditions imitators: Eastern European Scientific Journal.
2014. № 6. С. 321-326.
9. Роганов В.Р., Семочкина И.Ю., Жашкова Т.В. Системы моделирования
трёхмерных визуально наблюдаемых моделей: Труды международного симпозиума
Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 192-196.
10. Михеев М.Ю. Развитие теории непрерывно-дискретных преобразователей и ее
применение для совершенствования средств измерений: Диссертация на соискание ученой
степени доктора технических наук / Пенза, 2001.
11. Михеев М.Ю., Щербань А.Б. Ситуационно-структурный подход к анализу
информационных объектов: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
2006. № 6. С. 128.
12. Михеев М.Ю., Щербань А.Б. Ситуационно-структурный подход к анализу
информационных объектов: Известия высших учебных заведений. Поволжский регион.
Технические науки. 2006. № 6. С. 128.
13. Серёдкин А.Н., Виноградова Г.Л., Филиппенко В.О. Модель и методика
параметризации при автоматизированномпроектировании изделий со сложной формой:
Инженерный вестник Дона. 2014. Т. 30. № 3. С. 85.
14. Серёдкин А.Н., Виноградова Г.Л., Филиппенко В.О. Алгоритм
автоматизированного проектирования объектов сложной геометрической формы:
Фундаментальные исследования. 2014. № 11-6. С. 1267-1270.
15. Филиппенко В.О., Сёмочкин А.В., Асмолова Е.А., Михеев А.М. Увеличение
числа обрабатываемых примитивов за счёт сегментирования моделируемого района: Труды
международного симпозиума Надежность и качество. 2015. Т. 1. С. 196-198.
16. Финогеев А.Г., Четвергова М.В. Разработка и исследование методики
распознавания изображений для систем расширенной реальности: Известия
Волгоградского государственного технического университета. 2012. Т. 15. № 15 (102).
С. 130-136.
17. Финогеев А.Г., Четвергова М.В. Методика распознавания точечных
особенностей на основе рандомных деревьев в системах расширенной реальности:
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки.
2013. № 2 (26). С. 23-33.
18. Жашкова Т.В., Григорьев А.В., Шарунова О.М., Калашников В.С.
Обобщенная структура подсистемы нейросетевой идентификации для анализа
критических состояний сложных систем: XXI век: итоги прошлого и проблемы
настоящего плюс. 2015. № 4 (26). С. 232-240.