3D-принтеры. Перспективные направления развития 3D-печати.

Научно-исследовательская конференция обучающихся 1 курсов
«Юный исследователь»
Информатика
Индивидуальный проект
3D-принтеры. Перспективные направления развития 3D-печати.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 3
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ............................................................................................... 3
Краткая история появления 3D-печати ............................................................. 4
3D-Принтер и 3D-Печать ................................................................................... 5
Расходные материалы ......................................................................................... 6
Принцип работы 3D-принтера ........................................................................... 8
Преимущества 3D-принтера ............................................................................ 13
Наглядное представление сфер применения 3D-печати ............................... 14
Аддитивные технологии ................................................................................... 15
Список использованных источников .... Ошибка! Закладка не определена.
2
ВВЕДЕНИЕ
Постепенно технологии 3D-печати входят в нашу жизнь, открывая новые возможности в самых разных областях деятельности. 3D-печать позволяет создать трехмерную модель какого-то изделия на компьютере и за считанное время, получить полноценный физический объект, соответствующий заданным параметрам. Преимущества использования современных 3Dпринтеров очевидны: снижение себестоимости изготовления продукции и
сокращение сроков ее появления на рынке, моделирование элементов любой
формы и сложности, быстрота и высокая точность изготовления, возможность использования разных материалов. В ближайшие годы снижение стоимости 3D-принтеров должно открыть новые перспективы для реализации
трехмерной печати.
3
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Актуальность исследования: новые информационные технологии
быстро развиваются и без них немыслимо современное общество.
Цель исследования: дать представление об устройстве и принципе работы 3D-принтера, изучить, как и каким образом применяется 3D-печать.
Объект исследования: 3D-принтер.
Предмет исследования: возможности 3D-принтер.
Теоретическая значимость:
Практическая значимость: 3D-печать – это инновационное технология для создания физических копий любых цифровых 3D-моделей. Изученный и проанализированный материал может быть полезен в качестве просветительского материала
Задачи исследования:
 найти информацию об истории создания 3D-принтера.
 дать понятие «3D–принтер» и «3D–печать»;
 рассмотреть устройство 3D–принтера;
 изучить сферы применения 3D–печати;
 выделить преимущества 3D–принтера.
3
Краткая история появления 3D-печати
3D печать появилась на свет 40 лет назад и открыла потрясающие возможности для создания различных моделей в прототипировании, стоматологии, мелкосерийном производстве, кастомизированных продуктов, миниатюр, скульптур, макетов и многого другого.
Кто же изобрел 3D-принтер? Какая технология 3D-печати была сначала? И что напечатали на 3D-принтере первым делом?
Доктор муниципального промышленного исследовательского института в Нагоя, Хидео Кодама, подал заявку на регистрацию патента на устройство, которое с помощью УФ-засветки послойно формировало жесткий объект из фотополимерной смолы.
По сути, он описал современный фотополимерный принтер, однако не
смог в течение года, как того требовало патентное право, предоставить необходимые данные для регистрации патента и забросил идею. Тем не менее, во
многих источниках именно его называют изобретателем технологии 3Dпечати.
В 1983 году трое инженеров – Ален Ле Мехо, Оливье де Витт и ЖанКлод Андрэ из французского национального центра научных исследований, в
попытке создать то, что они называли «фрактальным объектом», пришли к
идее использования лазера и мономера, который под воздействием лазера
превращался в полимер. Заявку на патент они подали за 3 недели до американца Чака Хала. Первым объектом, созданным на аппарате, стала винтовая
лестница. Технологию инженеры назвали стереолитографией, а патент был
одобрен только в 1986 году. К сожалению, институт не разглядел перспектив
в изобретении и его коммерциализации, и патент не был использован для создания конечного продукта.
В тоже самое, время Чак Халл работал в компании, которая делала покрытия для столешниц и мебели при помощи ультрафиолетовых ламп. Производство небольших пластмассовых деталей для прототипирования новых
конструкций изделий занимало до двух месяцев. Чаку пришла в голову идея
4
ускорить этот процесс совместив УФ технологию и размещение тонкого пластика послойно. В компании ему выделили небольшую лабораторию для
экспериментов, где он работал по вечерам и выходным. В качестве материала
Чак использовал затвердевающие под воздействием ультрафиолета фотополимеры на акриловой основе. Однажды ночью после месяцев экспериментов
он смог наконец напечатать образец и был настолько окрылен удачей, что
пошел домой пешком. Чак показал свое изобретение жене. Это была чашечка
для промывки глаза, больше похожая на чашу для причастия, по мнению жены. Она и считается официально первой 3D-печатной моделью в мире и попрежнему хранится в семье Халл, а после их смерти будет передана в Смитсоновский научно-исследовательский институт в Вашингтоне.
Чак Халл подал патентную заявку 8 августа 1984, и 11 марта 1986 года
она была одобрена. Изобретение получило название «Аппарат для создания
трехмерных объектов с помощью стереолитографии». Чак основал свою
компанию – 3D Systems, и в 1988 году выпустил на рынок первый коммерческий 3D-принтер – модель SL1.
3D-Принтер и 3D-Печать
3D-принтер – это оборудование, с помощью которого можно создавать
реальные объемные физические изделия, используя в основе 3D модель. Сама печать на 3D-принтере подразумевает построение реального изделия по
разработанному макету трехмерной модели.
3D-печать – это методика изготовления объемных изделий на основе
цифровых моделей. Независимо от конкретной технологии, суть процесса заключается в постепенном послойном воспроизведении объектов.
Устройство 3D-принтера
3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором выращивается изделие; и
всё это управляется электроникой (6).
5
Рисунок 1 – Устройство 3D-принтера [2]
Расходные материалы
Расходными материалами для 3D-принтеров являются пластиковые нити, намотанные на катушки. Расходные материалы бывают различных типов
и свойств. Вот некоторые расходные материалы, используемые для печати:
ABS пластик
Самым популярным расходным материалом является ABS пластик.
Особая структура это вида «расходника» позволяет выдерживать сильное
механическое воздействие. Такой пластик относится к ударопрочной группе
и если сравнить ABS с обыкновенным полистиролом, то он в значительной
степени превосходит другие аналоги в плане механической прочности и
жёсткости. Среди других достоинств можно отметить тот факт, что данный
вид пластика выдерживает температурную нагрузку в 100 C°. Этот расходный материал также можно использовать для нанесения гальванического покрытия, в сфере вакуумной металлизации и даже для спайки контактов. Он
отлично подходит для сварки или точного литья. Материал обладает высокой
размерной стабильностью. Распечатанные объекты имеют блестящую поверхность (уровень блеска можно регулировать).
Среди огромного списка достоинств можно отметить стойкость к щелочи, смазке, кислоте, углеводороду, жиру и даже бензину. Однако он прекрасно растворяется в ацетоне, эфире, бензоле, этилхлориде, этиленхлориде,
6
анилине и анизоле. Основной недостаток – чувствительность к воздействию
ультрафиолетовых лучей и атмосферных осадков. Данный материал характеризуется низким уровнем электроизоляции.
PLA пластик
PLA пластик или полилактид является самым экологически чистым и
подходящим расходным материалом для трёхмерной печати. Данный вид
пластика представляет собой термопластичный полиэфир, который создаётся
из биологических отходов (сахарная свекла или силос кукурузы). Его мономером является молочная кислота. Распечатанные объекты имеют отличный
уровень скольжения и из такого пластика даже можно производить подшипники скольжения.
Чаще всего такой материал используется для изготовления детских игрушек потому, что PLA пластик обладает наименьшим уровнем токсичности.
Единственным недостатком полиактида является недолговечность и постепенное разложение.
PVA пластик
На российском рынке PVA пластик появился в 2012 году. PVA – это
тот же самый клей ПВА. Основным достоинством (или недостатком?) это
материала является быстрая растворимость в воде. Данный вид расходного
материала часто используется в качестве разделителя. Например, если пользователю нужно распечатать гайку с болтом, то PVA помогает разделить эти
два объекта, чтобы после распечатки гайка смогла свободно крутиться на
болте. Конечно же, распечатывать объекты при помощи PVA пластика может
показаться непрактичным. Его основное предназначение – роль поддержки в
процессе создания объектов с уникальным дизайном.
Фотополимеры
Ещё одним популярным расходным материалом для современных
принтеров являются фотополимеры. На самом деле у данного материла достаточно много разновидностей, однако все они имеют общую черту – фотополимеры меняют свою форму под воздействием солнечного света. Подоб7
ные «расходники» могут быть жидкими или твёрдыми. Объекты, которые
были распечатаны при помощи фотополимеров, обладают высокой прочностью, устойчивостью к солнечному свету и воде. Цену на фотополимеры
обычно устанавливает производитель или продавец.
Металлический порошок
Металлический порошок также часто используется в трёхмерной печати. Отметим, что порошок не обязательно должен состоять из металла. В качестве исходного материала можно применять золото, медь, алюминий или
сплав. Даже пластик ABS не может сымитировать блеск настоящего металла.
Данный вид расходного материала широко применяется в производстве драгоценностей. К тому же модели из металла обладают более высокой прочностью, чем другие виды расходных материалов для 3d принтеров. Стоимость
порошка зависит от его ценности.
Нейлон
Нейлон очень похож на самый популярный расходный материал – ABS
пластик. Однако он обладает лучшей сопротивляемостью высокой температуре печати и способен впитывать влагу. Недостатком нейлона является более высокий срок застывания и необходимость откачки воздуха из экструдера. Нейлон считается токсичным материалом. Данный вид расходного материала отлично подходит для печати шестерней, рычагов и даже запчастей для
медицинских аппаратов. Стоит заметить, что сегодня большинство владельцев принтеров используют такой материал, как Nylon 618, который обладает
гораздо меньшей токсичностью.
На самом деле разновидностей «расходников» для 3d принтеров
намного больше. Например, некоторые модели принтеров могут использовать шоколад или лёд. Всё зависит от фантазии владельца и типа принтера!
Принцип работы 3D-принтера
Нить (филамент) (1) поступает в печатающую головку (Экструдер) (2),
в которой разогревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло
8
экструдера. Шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в
движение Экструдер (2), который перемещается по направляющим (3) и
наносит пластик на платформу (4) слой за слоем. Снизу в вверх. В итоге изделие (5) растёт слой за слоем.
Рисунок 2 – Принцип работы 3D-принтера
Сферы применение 3D-печати
3D печать предоставляет возможности в различных сферах.
Машиностроение
Аддитивное производство стремительно вытесняет вычитающие технологии во всех технологических областях, в том числе – машиностроении.
3D-печать позволяет машиностроителям решать широкий спектр задач невероятно быстро, качественно и точно:
 разработка новых деталей и механизмов (создание концептмоделей, тестовых образцов);
 модернизация имеющихся систем и отдельных элементов;
 ремонт и замена вышедших из строя деталей.
Использование 3D-печати на этапе разработки или в технологическом
процессе позволяет создавать изделия более высокого качества дешевле и
быстрее.
9
Авиакосмическая промышленность
Авиакосмическая индустрия – одна из самых перспективных отраслей
для внедрения 3D-технологий. Уже сегодня 3D-проектирование, 3Dсканирование и 3D-печать помогают решать жизненно важные для отрасли
задачи:

снижение веса летательных аппаратов

создание изделий с уникальными свойствами и геометрически слож-
ных деталей

сокращение производственного цикла и расходов

экономия материалов и оборудования
Использование 3D-принтеров в авиации эффективно прежде всего при
изготовлении прототипов, оснастки и мастер-моделей для литья. Огромные
перспективы имеет 3D-печать конечных металлических изделий, которая в
ближайшем будущем станет серийной.
Что касается 3D-сканирования, эта передовая технология экономит
время и облегчает реверс-инжиниринг, контроль геометрии изделий и
оснастки, а также эксплуатационный контроль самолетов.
Атомная промышленность
В высокотехнологичных отраслях, к которым относится атомная промышленность, 3D-технологии незаменимы для создания уникальных продуктов и повышения конкурентоспособности.
3D-принтер станет не имеющим аналогов решением для изготовления
изделий сложной геометрии – таких, как элементы оборудования и запасные
части для АЭС, детали тепловыделяющих сборок, элементы автоматики системы аварийной защиты реактора и оборудования перегрузки ядерного топлива.
3D-cканирование и 3D-моделирование выгодно применять для обратного проектирования и контроля геометрии изделий, а также для измерения
крупных объектов, например, контура реактора АЭС.
10
Нефтегазовая промышленность
Аддитивные технологии все более широко используются для создания
новых и изготовления оптимизированных деталей и узлов нефтегазового
оборудования, а также литьевых форм.
С помощью 3D-принтера выполняется печать прототипов буровых
установок, оснастки для работы в сложных и экстремальных условиях, запчастей для ремонта оборудования. Создание прототипов для разработки месторождений дает возможность вносить коррективы на этапе проектирования.
3D-сканирование ускоряет и облегчает выполнение таких задач нефтегазовых предприятий, как обратное проектирование, контроль отклонений
геометрии, оценка износа, обмер, калибровка и градуировка резервуаров,
контроль повреждений трубопроводов.
Основные преимущества 3D-технологий – экономия расходов, сокращение времени подготовки сложных проектов, возможность создания изделий сложной геометрии.
Энергетика
Аддитивные технологии в энергетической промышленности эффективно применяются для создания как высокоточных прототипов, так и сложных
конечных деталей и конструктивных элементов энергетического оборудования и систем энергоснабжения. Главные преимущества 3D-технологий для
энергетики:
 возможность проектировать и изготавливать изделия сложнейшей
геометрии
 улучшать характеристики и снижать вес деталей
 использовать инновационные, экологически безопасные материалы
Контроль качества и обратное проектирование продукции энергетического сектора с помощью 3D-сканера и специального ПО позволяет ускорить
и оптимизировать производственный процесс.
11
В целом 3D-технологии обеспечивают сокращение производственного
цикла, экономию средств и людских ресурсов предприятия.
Строительство и архитектура
Трехмерные технологии сегодня решают разнообразные задачи в строительстве и архитектуре, позволяя ускорить и упростить процесс проектирования.
3D-моделирование зданий, сооружений, помещений, памятников и
других объектов помогает быстрее донести идеи до заказчика и вносить коррективы на любой стадии проекта.
Если перед вами стоит задача реконструировать или модернизировать
объект, разработать техническую документацию либо с высокой точностью
измерить геометрию здания, получить 3D-модель можно с помощью промышленного наземного 3D-сканера и специализированного ПО.
3D-принтер в архитектурных и строительных проектах дает возможность оперативно создавать реалистичные и точные макеты любых архитектурных проектов.
Медицина
3D-технологии совершили настоящую революцию в медицине. С помощью 3D-моделирования, 3D-сканирования и 3D-печати стало возможным
создавать медицинские изделия, максимально адаптированные под индивидуальные особенности человека.
3D-сканеры и 3D-принтеры в хирургии и стоматологии сегодня –
обычная практика. Новые технологии дают возможность изготавливать макеты органов и костей, создавать 3D-модели и выполнять высокоточную печать
на 3D-принтере протезов, имплантатов, хирургических шаблонов, ортопедических стелек и других изделий. Благодаря этим инновациям удается повысить надежность продукции, сэкономить время, снизить производственные
расходы и стоимость конечных изделий, а главное – улучшить жизнь пациентов.
12
Преимущества 3D-принтера
Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства хорошо заметны и в профессиональном применении.
Если говорить о сравнении с традиционными технологиями производства, такими как литье, фрезеровка, штамповка, резка и т.д., то можно выделить следующие категории отличий:

скорость производства – указывает на затраченное время, от модели-
рования и до постобработки деталей;

стоимость производства – финансовые затраты на производство каж-
дой конкретной детали;

качество продукции – говорит о точности производства относитель-
но её соответствия итоговому продукту до постобработки.

точность копий – указывает на уровень идентичности производимых
копий одного и того же изделия.

гибкость производства – затраты времени и финансов на переход к
изготовлению нового продукта или внесение изменений в дизайн, уже запущенного в производство;

доступность – необходимость в финансовых затратах для приобрете-
ния производственных мощностей разного уровня сложности.
13
Наглядное представление сфер применения 3D-печати
3D-печать всё прочнее входит в нашу жизнь, превращаясь из узконаправленной и дорогой услуги в незаменимого помощника для профессионалов различных сфер деятельности.
Доступность использования позволяет проводить смелые эксперименты в архитектуре, строительстве, мелкосерийном производстве, медицине,
образовании, ювелирном деле, полиграфии, изготовлении рекламной и сувенирной продукции. Давайте отобразим наиболее перспективные направления
в мире, где используется 3D-печать:
Рисунок 3 – Сферы применения 3D-печати
Можно сделать вывод, что 3D-печать используется во всех значимых
сфер жизни человека, большее значение имеют технические направления в
современной экономике, например, промышленность, моделирование, информационные технологии, наука и тому подобное. Подводя итоги исследования сфер применимости 3D-печати, можно смело заявить, что данная технология очень полезна для современного мира, ведь 3D-принтер может производить продукцию любого предназначения, не ограничиваясь геометрическими особенностями.
14
Аддитивные технологии
Аддитивные технологии, как одно из направлений цифрового производства, являются мощнейшим инструментом. Аддитивные технологии –
процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3Dмодели, в частности с помощью 3D-принтера. Данные технологии позволяют
быстро конструировать и воспроизводить объекты с высокой трудоемкостью
создания в условиях обычного традиционного производства (от мельчайших
деталей, например в аэрокосмической отрасли и медицине, до крупных промышленных конструкций).
Россия, находясь на данный момент на IV технологическом укладе
(фактически, эпоха нефти и машиностроения), стремится выйти на VI, на котором уже находятся Европа и США. Однако, выход невозможен без внедрения аддитивных технологий, для чего государство последние годы создает
условия во всех отраслях промышленности.
Аддитивное производство – технология создания объекта на основе заранее подготовленной цифровой модели. 3D-печать – принцип создания модели послойно наносимого материала постепенно повторяемого контура изделия. По существу, 3D-печать – это полная противоположность стандартным методам производства и обработки, таким как фрезерование и точение,
где обработка осуществляется путем удаления лишней части заготовки.
Отобразим сравнение аддитивного производства и традиционного с помощью наглядной схемы:
15
Рисунок 4 – Сравнение традиционного и аддитивного производства
На рисунок 4 видно, что аддитивное производство осуществляется
намного быстрее и легче в сравнении с традиционным производством. Человечество стало понимать, что 3D-печать это выгодно, быстрее и легче, ведь
обслуживать дорогие и большие станки не так уж дешево. Компании стали
массово закупать 3D-принтеры, о чем, свидетельствует данный график:
Рисунок 5 – Состояние и прогноз объема мирового рынка АТ, млрд.
Мировой рынок аддитивных технологий с 2014 по 2020 годы рос со
среднегодовыми темпами в 19,3%, достигнув к 2020 году объема почти в $12
16
млрд. Согласно отчету GlobalData, в настоящее время на долю рынка 3Dпечати приходится менее 0,1% от общего мирового производственного рынка, который оценивается в 12,7 триллионов Долларов.
Обозначим Перспективы развития рынка 3D-печати:
Рисунок 6 – Уровень внедрения 3D-печати по отраслям к 2025 году
Прежде всего, как и в настоящее время, прогнозируется активный рост
мировых разработок и внедрения аддитивных технологий в авиакосмической
и оборонной отраслях, электронике и автомобильной промышленности. Прогнозируется также, что самыми крупными областями применения аддитивных технологий будут аэрокосмическая и оборонная промышленность. Следом активно будет развиваться аддитивное производство в сфере автомобильной промышленности, а также стоматологии и производстве медицинских имплантатов. Вкупе все указанные отрасли будут занимать более 50%
рынка.
17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Сферы применения 3D-принтеров и 3D-сканеров сегодня весьма обширны: от производства, медицины, строительства, военной отрасли и электроники до индустрии моды и изобразительного искусства. Если рассматривать аддитивные технологии с точки зрения используемых материалов, то
здесь все на высоком уровне. Печатают почти все, от металлов до полимеров:
твердых и гибких, жестких и мягких, горючих и несгораемых, которые применяют везде. Применение изделий, изготовленных аддитивным методом,
происходит на любом этапе производства, как в создании прототипа, так и в
качестве готовой продукции (например, печать кузовных деталей автомобиля).
В последнее время государственные структуры начали активно интересоваться аддитивными машинами. Большие успехи реализации 3D-печати в
медицине восхищают и начинают воплощать, казалось бы, недавнюю фантастику в реальность – на принтерах создают мышцы, кости, хрящи. Многие
компании давно применяют аддитивные технологии в своем производстве.
Вместе с тем, растет и потребительский интерес к технологиям, в частности
из-за появления в продаже доступного по цене оборудования.
Что будет с миром дальше, когда прежняя экономика станет невозможной, когда появится возможность свободно обмениваться цифровыми моделями вещей и их точными прототипами? Сотни тысяч людей сами станут независимыми частными пользователями, одновременно превращаясь в автономных цифровых потребителей.
Работа может представлять интерес для тех, кто хочет повысить свои
знания из области информатики и современных технологий.
18
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. 3D-моделирование: наука и искусство [электронный
ресурс]/URL:https://www.3dpulse.ru/news/3d-wiki/3d-modelirovanienauka-i-iskusstvo/(дата обращения: 27.04.21)
2. 3D-Печать: третья индустриально-цифровая революция.
Часть 1 [электронный ресурс]/URL:http://blogerator.org/page/3d-pechatindustrialno-cifrovaja-revoljucija-3d-printer-makerbot-cena-opisanieperspektivy-1(дата обращения: 26.04.21)
3. Виды расходных материалов для 3D-принтеров подборка
2020 год [электронный ресурс]/URL: https://mygs.ru/article/vidyrashodnyh-materialov-dlya-3d-printerov-podborka-2020-g(дата обращения:
26.04.21)
4. ВикепидиЯ/свободная энциклопедия [электронный
ресурс]/URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/3D%D0%BF%D1%80%D
0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D1%80(дата обращения: 04.05.21)
5. Возможности и применение 3D-печати: на что способен
3D-принтер [электронный ресурс]/URL:https://3ddevice.com.ua/faqvoprosy-i-otvety-o-3d-printerakh/primenenie-3d-pechati/(дата обращения:
26.04.21)
6. Рынок технологий 3D-печати в России и мире: перспективы
внедрения аддитивных технологий в производство [электронный
ресурс]/URL:https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/rynok-texnologii-3dpecati-v-rossii-i-mire-perspektivy-vnedreniya-additivnyx-texnologii-vproizvodstvo(дата обращения: 04.05.21)
7. Что такое 3D-принтер? [электронный ресурс]/URL:
https://3dtoday.ru/wiki/3Dprinter/(дата обращения: 25.04.21)
19