Виртуальная 3D- материализация посредством фабберов, или Что такое 3D-принтеры?
25 марта 2015
Рубрика: ИТ-ресно.
Автор: .

3d_25_03_2015

Со времен первого научного описания современной двоичной системы, которая была полностью представ­лена Готфридом Вильгельмом Лейбницом в XVII веке в работе Explication de l’Arithmetique Binaire, ученые пытаются весь телесный мир поделить на нули и единицы или, как мы сейчас говорим, оцифровать. Уже оцифровано все, что только можно: от Моны Лизы из Лувра до Собора Нотр-Дам-Де-Пари.

Мы читаем цифровые книги, смотрим умные телевизоры и слушаем оцифрованную с хорошим «битрейдом» классику. И вот, двигаясь по спирали, наука начала переводить оцифрованные копии объектов назад в аналоговую форму. Впрочем, и чисто виртуальные объекты, которых отродясь не было в природе, также получают аналоговые или, вернее, реальные объемные формы. Налицо 3D-материализация! Мы имеем в виду появление на массовом рынке 3D-принтеров. Помните фильм «Пятый Элемент», когда главная героиня, положив в аппарат какую-то таблетку, получает через несколько секунд шикарную курицу гриль? Так вот, современные 3D-принтеры уже могут распечатать фигурные блины, игрушки и даже целые дома! Кстати, за рубежом 3D-принтеры очень часто называют фабберами. Это ИТ-ресно!

А вы каким фаббером прототипируете блины?

3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. В зарубежной литературе данный тип устройств также именуют фабберами, а процесс трехмерной печати — быстрым прототипированием (Rapid Prototyping).

3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твердого объекта.

Технологии, применяемые для создания слоев

Лазерная:

  • Лазерная стереолитография— ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.
  • Лазерное сплавление (англ. melting)— при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали.
  • Ламинирование— деталь создается из большого количества слоев рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.

Струйная:

  • Застывание материала при охлаждении— раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта.
  • Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы— способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета.
  • Склеивание или спекание порошкообразного материала— похоже на лазерное спекание, только порошковая основа (подчас на основе измельченной бумаги или целлюлозы) склеивается жидким (иногда клеющим) веществом, поступающим из струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя вещества различных цветов.

Существуют образцы 3D-принтеров, использующих головки струйных принтеров.

Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей.

Биопринтеры — ранние экспериментальные установки, в которых печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится каплями, содержащими живые клетки. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта.

3d_25_03_2015_1

Также применяются различные технологии позиционирования печатающей головки:

  • декартова, когда в конструкции используются три взаимоперпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели;
  • при помощи трех параллелограммов, когда три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трех параллелограммов, прикрепленных к печатающей головке;
  • автономная, когда печатающая головка размещена на собственном шасси, и эта конструкция передвигается целиком за счет какого-либо движителя, приводящего шасси в движение;
  • ручная, когда печатающая головка выполнена в виде ручки/карандаша, и пользователь сам подносит ее в то место пространства, куда считает нужным добавить выделяемый из наконечника быстро затвердевающий материал. Назван такой прибор «3D-ручка», и к 3D-принтерам может быть отнесен с известной натяжкой. Существуют варианты с использованием термополимера, застывающего при охлаждении, и с использованием фотополимера, отверждаемого ультрафиолетом.

Существующие технологии

  • Лазерная стереолитография (англ. laser stereolitho­graphy, SLA)— объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.
  • Селективное лазерное спекание (англ. selective laser sintering, SLS) (также англ. Direct metal laser sintering — DMLS)— объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл) путем его плавления под действием лазерного излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (обычно специальным выравнивающим валиком), после чего лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта. Затем платформа опускается на толщину одного слоя и на нее вновь наносится порошкообразный материал. Данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта за счет заполнения пустот порошком. Для уменьшения необходимой для спекания энергии температура рабочей камеры обычно поддерживается на уровне чуть ниже точки плавления рабочего материала, а для предотвращения окисления процесс проходит в бескислородной среде.
  • Электронно-лучевая плавка— аналогична технологиям SLS/DMLS, только здесь объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.
  • Моделирование методом наплавления— объект формируется путем послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подается в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается на толщину одного слоя, чтобы можно было нанести следующий слой. Часто в данной технологии участвуют две рабочие головки — одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая — материал поддержки.
  • Изготовление объектов с использованием ламинирования (англ. laminated object manufacturing, LOM)— объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких пленок рабочего материала с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое. За счет отсутствия пустот данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, однако, удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) в некоторых ситуациях может вызывать затруднения.

3d_25_03_2015_2

Применение технологии 3D-принтеров

  • Для быстрого прототипирования, то есть быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
  • Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное решение для мелкосерийного производства.
  • Изготовление моделей и форм для литейного производства.
  • Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри», что, в частности, было использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля еще при разработке.
  • Производство различных мелочей в домашних условиях.
  • Производство сложных, массивных, прочных и недорогих систем. Например, беспилотный самолет Polecat компании Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трехмерной печати.
  • Разработки университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био-гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии — выращивание полноценных органов.
  • В медицине, при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по печати донорских органов.
  • Для строительства зданий и сооружений.
  • Производство корпусов экспериментальной техники (автомобили, телефоны, радиоэлектронное оборудование).
  • Пищевое производство.

3d_25_03_2015_3

После создания 3D-модели используются САПР-системы, поддерживающие управление 3D-печатью. В большинстве случаев для печати используют формат файла STL. Практически все принтеры имеют свой собственный софт для управления печатью, причем часть — коммерческие, часть с открытым исходным кодом. Например, 3D-принтер Picaso Builder — программа Polygon, 3DTouch — Axon 2, MakerBot — MakerWare, Ultimaker — Cura.

3d_25_03_2015_4

Что нам стоит 3D-дом построить?

Как видим применение 3D-принтеров очень и очень широкое. Можно распечатать и дом, и самолет, и даже донорские органы. Так что, девушки, будьте осторожны, когда незнакомый молодой человек предлагает вам «руку и сердце». Вполне возможно, что он просто их распечатал на хорошем 3D-принтере :-). Ну, а если серьезно, то в самое ближайшее время можно будет получить с другого конца света виртуальный букет цветов и распечатать его на долгую память. Уже заговорили о телепортации 3D-объектов через фабберы. Нужно только помнить, что самый качественный, а, главное, натуральный 3D-принтер — это сама мать-природа. Все остальное — это просто копии, пусть даже и цифровые.

Несколько интересных примеров из мира 3D-принтеров

3D-принтер PancakeBot для готовки блинчиков

4 года назад американец Мигель Валенсуэла собрал 3D-принтер из Lego, который «печатал» блинчики для его двух дочерей. С тех пор гаджет претерпел целый ряд изменений и теперь почти готов к выходу в продажу.

3d_25_03_2015_5

После успешной кампании на Kickstarter PancakeBot поступает в массовое производство. В прошлом году был создан прототип, в котором вместо Lego используется прозрачный акрил. Теперь 3D-принтер для кухни выглядит еще лучше.

Гаджет представляет собой обычный 3D-принтер, модифицированный для создания пищи. Вместо пластиковых материалов для печати используется тесто для блинчиков. Блинчики «печатаются» на встроенной подогретой сковороде.

3d_25_03_2015_6

Многие производители 3D-принтеров завлекают доступной ценой устройства, а затем предлагают дорогие картриджи. В случае с PancakeBot дело обстоит иначе: все, что нужно для готовки, — это жидкое тесто.

Распечатаем себе дом

3d_25_03_2015_7

Китайская компания WinSun Decoration Design Engineering Company разработала проект жилого дома, который можно создать на специальном 3D-принтере менее чем за сутки. Исследовательская работа заняла у дизайнеров несколько лет, а ее результатом стали 10 домов, «распечатанных» за 10 часов. В качестве материалов используются переработанные строительные материалы, поэтому цена одного сооружения площадью 200 квадратных метров составляет всего $4800, а максимальные габариты элементов, которые способен создать 3D-принтер, используемый компанией, составляют 152 х 6х 10 метров.

Ученые разработали 3D-принтер по созданию человеческих органов

Ученые из США разработали специальный 3D-принтер, способный распечатывать настоящие органы.

«Заправкой» для таких принтеров служит клеточный материал. Так, ученым из американской биотехнологической компании Organovo удалось распечатать на таком принтере печень. Однако прототип имплантанта полностью лишен сосудов и не может быть пересажен. Чтобы поддерживать орган в живом состоянии, необходимо снабдить его кровеносной системой. Это достаточно сложный процесс, который можно провести только в лабораторных условиях.

В ближайшее время ученые намерены провести серию попыток создания печени с кровеносной системой, чтобы стало возможным подключить ее к живому организму. Если опыт удастся, то это произведет настоящую революцию в трансплантологии. Проблема донорских органов будет полностью решена силами ученых.

Полученная с помощью 3D-принтера печень проходит ряд испытаний. Ученые тестируют различные лекарственные средства на ней, следят за реакцией клеток.

Первая печень без сосудов была создана учеными еще в 2011 году. Тогда образец прожил 40 дней и реагировал на введение лекарств и аллергенов, как настоящий полноценный орган.

Экзоскелет вместо гипса

Новозеландская разработка может навсегда заменить гипс на индивидуальные 3D-печатаемые суппорты.

Каждый, кто хоть раз ломал руку или ногу, знает, как сильно чешется под гипсом. Помимо этого гипс нельзя мочить, он тяжелый и влезает не под всякую одежду.

Теперь на смену этой проверенной временем, но громоздкой конструкции может прийти изящный экзоскелет из нейлона.

3d_25_03_2015_8

Новинка получила название Cortex, что значит «кора». Процедура создания состоит из нескольких этапов: сначала делают традиционный рентгеновский снимок поврежденной кости. Исходя из этого снимка оцениваются «масштабы бедствия» и определяется место, требующее наибольшей поддержки. Затем рука пациента сканируется 3D-сканером. По этой модели в специальном ПО разрабатывается форма изделия, которое печатается из нейлона на 3D-принтере.

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В WhatsApp
В Одноклассники
ВКонтакте