3D принтеры, уже давно будоражат головы разработчиков и изобретателей, стартап за стартапом приближают эру новых стандартов и подходов в производстве и организации быта, меняется система разработки и внедрения новых изделий путем более быстрого прототипирования, становится возможным изготовления новых типов деталей, которые невозможно изготовить путем литья, или механическим способом. Несомненно, 3D принтеры завоюют большое количество ниш, занятые традиционными типами производства, на 3D принтерах можно печатать кондитерские изделия, детали машин и механизмов, предметы домашнего обихода и даже живые ткани. Практически каждый месяц анонсируется очередной прорыв в той или иной области 3D принтеростроения, от супер дешевых, стоимостью чуть более 100$, до устройств способных печатать высокоточные детали из металла, оксида циркония и т. д. Мир меняется, и объявления типа: «Печать дома под ключ!» очень скоро никого не будут удивлять.

По сути, 3D печать, не совсем заслуженно позаимствовала популярный мем «три дэ» - по сути, любая технология поэтапного нанесения является больше 2D или псевдо 3D. Получается, что 3D принтеров НЕТ(!!?), все что сейчас предлагается на рынке это машины послойной печати трехмерных объектов с использованием двухмерной технологии?

Так было, но так не будет - полноценному 3D быть!

И это анонсировал в начале 2015 года Джо ДеСимон (Joe DeSimon) представив миру новый подход к 3D печати или новый способ 3D выращивания деталей с небывалыми для классических 3D принтеров характеристиками.

CLIP — технология выращивания 3D объектов от carbon3D(отрывок выступления Джо ДеСимона на презентации)

Наш подход заключается в использовании некоторых стандартных знаний в области полимерной химии, чтобы использовать свет и кислород для беспрерывного создания детали. Свет и кислород работают в разных направлениях. Свет может взять смолу и преобразовать её в твёрдое вещество, преобразовать жидкость в твёрдое вещество. Кислород сдерживает этот процесс. Свет и кислород являются полярными противоположностями друг друга с точки зрения химии, и если мы сможем управлять светом и кислородом в пространстве, мы сможем контролировать этот процесс. Мы называем это НПЖИ. [Непрерывное Производство из Жидкого Интерфейса.] принцип работы 3d принтера Clip Оно имеет три функциональных компонента. Первый — у него есть резервуар, удерживающий жидкое вещество, прямо как в фильме терминатор Т-1000. На дне резервуара есть специальное окно. Я расскажу об этом позже. Кроме этого, у него есть платформа, которая будет опускаться в жидкость и вытягивать оттуда предмет. Третий компонент — цифровая система проецирования света, находящаяся под резервуаром, излучающая свет в ультрафиолетовом диапазоне. Ключевой момент в том, что это окно на дне резервуара — это композит, это особое окно. Оно пропускает не только свет, но и позволяет проникать кислороду. Оно имеет характеристики как у контактной линзы. Итак, мы можем видеть, как работает процесс. Вы можете начать видеть это по мере того, как опускаете туда платформу.

При традиционном процессе с непроницаемым для кислорода окном вы делаете двухмерную модель и приклеиваете её на платформу при помощи традиционного окна. Для того, чтобы нанести следующий слой, вы должны отсоединить платформу, добавить новую смесь, переместить платформу и проделывать этот процесс снова и снова. Но с нашим особым окном мы можем сделать так, что когда кислород проходит сквозь дно по мере того, как свет достигает его, кислород препятствует реакции, и мы образуем застойную зону. Эта застойная зона составляет порядка десятков микрон в толщину — это два или три диаметра красного кровяного тельца — прямо на границе раздела окна и остальной жидкости. Далее мы подтягиваем этот предмет. Как мы уже сообщали в научном докладе, по мере изменения содержания кислорода мы можем изменять толщину застойной зоны. Итак, у нас есть некое количество контролируемых ключевых переменных: содержание кислорода, свет, яркость света, доза облучения, вязкость, геометрия. Мы используем очень сложное программное обеспечение для контроля этого процесса. Результат просто ошеломляющий. Он от 25 до 100 раз быстрее, чем традиционные 3D-принтеры, что меняет правила игры. Кроме того, при способности доставлять жидкость в этот интерфейс, я думаю, мы можем сделать процесс до 1 000 раз быстрее. Это фактически открывает возможность для генерации большого количества тепла, и, как инженера-химика, меня очень волнует передача тепла и идея о том, что однажды у нас будут 3D-принтеры c водяным охлаждением, потому что они будут работать очень быстро.

Вдобавок, используя такой метод, мы устраняем слои, что делает предметы монолитными. Вы не видите структуру поверхности. Вы получаете молекулярно гладкие поверхности. Механические свойства большинства деталей, сделанных на 3D-принтере, печально известны наличием свойств, зависящих от ориентации, при которой их печатали, из-за слойной структуры. Но когда вы создаёте предмет таким образом, свойства остаются неизменными независимо от направления печати. Эти изделия похожи на литые, что очень отличается от традиционного 3D-производства. Кроме того, мы можем применить при этом знания из всего учебника по полимерной химии, разработав химические составы, обладающие свойствами, которыми вы хотите наделить объекты 3D-печати.

Мы можем получать материалы с потрясающими механическими свойствами. Впервые у нас есть эластомеры с высокой эластичностью или высокой амортизацией. Подумайте о контроле вибрации или об отличных кроссовках, например. Мы можем создать материалы, обладающие невероятной прочностью, высоким коэффициентом соотношения прочности к весу, очень прочные материалы, действительно великолепные эластомеры.

Возможности сейчас таковы, что, если вы на самом деле создаёте предмет, имеющий такие свойства, при которых он может быть конечным изделием, и делаете это на революционных скоростях, вы реально можете преобразовать производство. Сейчас в производстве происходит так называемый цифровой поток. В цифровом производстве мы идём от чертежа, сделанного в САПР, от дизайна, к прототипу и к производству. Зачастую цифровой поток прерывается на стадии прототипа, потому что вы не можете перейти к производству из-за того, что большинство частей не имеет свойств, необходимых для конечного продукта. Теперь мы можем восстановить цифровой поток на всём пути от дизайна до создания прототипов и до производства, и эта возможность действительно позволяет создавать новые предметы: от более экономичных машин с улучшенными структурными свойствами, с высоким коэффициентом прочности к весу, до новых лопаток турбины — всевозможных удивительных вещей.

Подумайте о том, что вам понадобится стент в чрезвычайной ситуации. Вместо того, чтобы поставить вам имеющийся в наличии стент стандартных размеров, врачи поставят стент, сконструированный специально для вас, под вашу анатомию, с вашими венозными ветвями, напечатанный в чрезвычайной ситуации в реальном времени и с такими свойствами, что от него не останется и следа через 18 месяцев, — это действительно прорыв.

Или взять цифровую стоматологию и создание вот таких структур, пока вы находитесь в кресле у стоматолога. Посмотрите на структуры, которые мои студенты создают в Университете Северной Каролины. Это потрясающие микроскопические структуры.

Вы знаете, мир добился больших успехов в нанотехнологиях. Закон Мура позволил создавать предметы в 10 микрон и меньше. У нас это получается очень хорошо, но на самом деле очень трудно сделать вещи от 10 микрон до 1 000 микрон, то, что называется мезомасштабом. И субтрактивные методы в производстве микросхем не могут делать это очень хорошо. Они не могут травить кремниевые пластины так хорошо.

Но наш процесс настолько мягок, что мы можем создавать объекты снизу вверх при помощи аддитивного производства и делать поразительные вещи за десятки секунд, открывая новые сенсорные технологии, новые методы доставки лекарственных препаратов к участку действия, новые приложения «лаборатория на чипе» — действительно революционные вещи.

3D принтер Clip в действии

Так что возможность создания предмета в реальном времени, имеющего свойства, при которых он может быть конечным изделием, действительно предоставляет условия для 3D-производства. Мы очень взволнованы, потому что находимся в точке пересечения между оборудованием, ПО и молекулярной наукой, и мне не терпится увидеть, что дизайнеры и инженеры по всему миру смогут сделать при помощи этого прекрасного инструмента.

Основные виды 3D принтеров

 

Способов послойного нанесения материалов разработано достаточно много, начиная с экструзии ABC пластика, до фотополимеров и порошковой металлургии.

 

  • LOM (Laminated-object-manufacturing) — поэтапное нанесение пленки и формирование детали при помощи лазерного луча.
  • EBM (Electron Beam Melting) — при помощи мощного лазера происходит послойное спекание металлического порошка
  • SLA Stereolithography — использование фотополимеров, которые под воздействием ультрафиолета отвердевают
  • FDM (Fused Deposition Modeling) — самый распространенный и дешевый способ, аналогично струйному принтеру, послойно наносит на подогретую поверхность расплавленный пластик

Недостатками практически всех моделей принтеров, являются:

  • соотношение цена\ качество\ время производимых деталей
  • ограниченное количество видов материалов для печати и их цена
  • качество поверхности

P.S. Несомненно, 3d печать объектов будет развиваться и займет те ниши, которые будут не доступны другим методам. Возьмем к примеру строительство - послойное нанесение композитного бетона, уже используется для печати сложных конструктивных элементов и даже целых зданий. Послойное нанесение материалов также используется в кондитерской промышленности (и от этого мы никуда не уйдем, как еще украсить праздничный торт?:))

Создано:

Автор