Ce este tehnologia de imprimare 3D - Cum funcționează, aplicații și obstacole

Aceste imprimante revoluționare sunt tot mai vizibile în viața noastră de zi cu zi:

• Guns. În 2013, Cody Wilson, auto-declarat „cripto-anarhist” a proiectat, creat și tipărit o armă de plastic prin tehnologia de imprimare 3D. Cody a tras o lovitură și a distribuit fișierele CAD pentru armă pe Internet. Au fost mai mult de 100.000 de descărcări înainte ca guvernul Statelor Unite să închidă site-ul. În mai 2014, Yoshitomo Imura a fost arestat în Japonia pentru deținerea a cinci arme tipărite 3D.
• Produse cosmetice. În cadrul spectacolului TechCrunch Disrupt din New York, în mai 2014, absolventul MBA de la Harvard, Grace Choi, a demonstrat Mink, o imprimantă 3D care costă sub 200 de dolari, care combină cerneala aprobată de FDA cu o varietate de substraturi pentru a crea orice tip de machiaj, din pulberi, la crema, la ruj. Potrivit lui Choi, „Companiile mari de machiaj preiau pigmentul și substraturile și le amestecă și apoi cresc prețul. Facem același lucru și te lăsăm să obții machiajul în casa ta. ”
• Parti ale corpului. Conform unui raport din 2013 al revistei TIME, imprimantele 3D deja sculptă părți ale corpului precum urechile și nasurile din celulele corpului. În timp ce stadiul incipient, tehnologia este promițătoare pentru chirurgia estetică și plastică.
• Alimente. Institutul Tehnologic din Massachusetts a dezvoltat o imprimantă 3D pentru alimente numită „Cornucopia”, iar Institutul Francez de Culinare a utilizat FabatHome dezvoltat de Cornell pentru prepararea alimentelor. Poate că replicatorii de spațiu alimentar în vârstă spațială descriși în „Star Trek” nu sunt atât de departe în viitor pe cât am putea crede.
• Criminalistică și arheologie. În emisiunea de televiziune „CSI: New York”, tipărirea 3D este utilizată pentru a reproduce un glonț în interiorul corpului pentru a evita operația. Arheologii pot reproduce artefacte fragile pentru studiu, fără a deteriora obiectele originale neprețuite. De exemplu, vizitatorii la Discovery Time Square King Tut Exposition au putut vedea o replică tipărită 3D identică a mumiei de către companie Materialize.

Michelangelo a explicat cândva că fiecare bloc de piatră are o statuie în ea și este sarcina sculpturii să o descopere. Odată ce artistul înțelege imaginea tridimensională pe care o caută, sarcina sa este să ștergă cu atenție materialul străin pentru a dezvălui structura ascunsă. Dacă Michelangelo ar fi putut să folosească o imprimantă 3D, procesul său creativ ar fi fost exact opusul: începând cu nimic și creându-și treptat imaginea mentală prin adăugarea de substanță până când forma căutată a fost completă.

Cum funcționează imprimarea 3D

Termenul „imprimare 3D” este un nume greșit, deoarece există o mică asemănare cu imprimarea bidimensională prin care cerneala este aplicată pe hârtie. Cu toate acestea, procedeul este similar cu imprimarea, deoarece rezultatul este acumularea de diferite straturi de materiale așezate secvențial în forme diferite pentru a crea un obiect tridimensional solid. O descriere mai exactă ar fi „fabricația aditivă”, o metodă diferită de creare decât cea tradițională, care se bazează pe îndepărtarea materialelor solide dintr-o masă neformată mai mare.

Procesul începe cu un design asistat de computer (CAD) sau cu un scaner 3D pentru a traduce un model în măsurători digitale, tridimensionale. Folosind materialul selectat (lichid, pulbere, hârtie sau material de foaie), mai multe straturi subțiri sunt puse în loc și topite prin încălzire, întărire, centrare, laminare sau polimerizare foto pentru a realiza un singur obiect unificat.

Tehnologia de imprimare 3D a evoluat în ultimul secol III; un raport al Patent Insight Pro din 2014 enumera aproximativ 2.635 de brevete legate de tehnologia de imprimare 3D, care au fost emise de la începutul anilor '70. Deși fiecare brevet poate fi specific în ceea ce privește revendicările și justificarea sa pentru a garanta eliberarea unui brevet, ele pot fi clasificate în general pe baza următoarelor:

• Procesul tehnologic identificat. În prezent, există 33 de procese diferite utilizate în imprimarea 3D, de la modelarea depunerii fuzionate (FDM) - un proces de încălzire a materialelor termoplastice la o stare semi-lichidă, apoi extrudarea stratului cu strat de-a lungul unei căi controlate de computer - până la stereolitografie, proces în care un laser ultraviolă întărește un strat de fotopolimer lichid, deoarece este ridicat sau coborât de o platformă cufundată într-un rezervor de polimer lichid similar cu aplicarea stratului după strat de vopsea până când mai multe straturi au ca rezultat partea finită.
• Materiale specificate în brevet. Până în prezent, brevetele emise acoperă 45 de materiale diferite, inclusiv ceramică, argilă, paladiu, hârtie, cauciuc, argint, titan și ceară.
• Utilizare sau aplicație. La ultimul număr, au existat cel puțin 22 de aplicații comerciale de imprimare 3D, inclusiv construcțiile, apărarea și industria alimentară.

Starea industriei de imprimare 3D

Mulți observatori din industrie susțin că lipsa pătrunderii pe piețele de masă până în prezent s-a datorat brevetelor extinse ale diferitelor companii și a probabilității proceselor de proprietate intelectuală. Mai simplu spus, companiile nu au cheltuit resursele pentru a exploata tehnologia, deoarece le este frică să nu fie trimise în judecată.

Această barieră în calea concurenței a menținut noii intrați pe piață și prețurile ridicate; prea mare, de fapt, pentru a sprijini aplicațiile consumatorilor pe piața de masă. Cu multe dintre brevetele care acoperă tehnologia de bază care au expirat în 2013 și mai multe care expiră în 2014 și 2015, este probabil să existe o explozie de produse noi și o reducere a prețurilor echipamentelor similare cu scăderea altor hardware electronic, cum ar fi televizoare, computere , și telefoane mobile. Prețurile mai mici vor oferi acces consumatorilor pe o bază largă pentru prima dată.

Potrivit Pete Basiliere, analistul principal al Gartner de imprimare 3D, o aplicație de consum convingător - ceva care poate fi creat doar acasă de o imprimantă 3D - va apărea până în 2016 și va avea un impact similar asupra imprimantelor 3D ca foaia de calcul pentru computer sau computer adăugarea unei camere foto la un telefon mobil. Un raport al Gridlogics Technologies proiectează că tehnologia va deveni un articol de piață în masă, deoarece va permite consumatorilor să înlocuiască sau să creeze obiecte casnice obișnuite care sunt acum produse cu metode tradiționale de fabricație și includ costurile asociate de marketing, logistică și întreținere de inventar. Charles W. Hull, creatorul primei imprimante 3D de la mijlocul anilor '80 și co-fondator și director tehnologic 3D Systems, prevede că industria va avea o afacere de 4,5 miliarde de dolari până la sfârșitul acestui deceniu.

Aplicații de imprimare 3D

Utilizările viitoare ale imprimării 3D sunt încă descoperite. Următoarele sunt doar câteva dintre aplicațiile actuale în curs de desfășurare care este probabil să fie în general utilizate în primul rând.

1. medical
Conform CNN, imprimantele 3D sunt deja folosite de cercetători pentru a tipări benzi minuscule de țesut de organ (bioprinting), precum și apendicele faciale (urechi și nasuri). Organele tipărite, cum ar fi un rinichi sau ficat - următoarea etapă în evoluția tehnologiei - ar putea fi utilizate inițial pentru testarea medicamentelor și a vaccinurilor și, în final, să producă organe atât de necesare pentru transplanturi.

Basiliere afirmă că „facilitățile de bioprintare 3D cu capacitatea de a imprima organele și țesuturile umane vor avansa mult mai repede decât înțelegerea generală și acceptarea ramificărilor acestei tehnologii.” Ca răspuns, Mike Titsch, redactor-șef al 3D Printer World afirmă: „Multe descoperiri medicale majore au suferit rezistență morală, de la transplanturi de organe la celule stem. Își vor permite doar bogații? Îl jucăm pe Dumnezeu? La final, salvarea de vieți tinde să dea peste cap toate obiecțiile. ”

2. Membre artificiale
Studenții de la Universitatea Washington au dezvoltat un braț protetic pentru o fată de 13 ani care și-a pierdut membrele într-un accident de barcă. Deși nu este la fel de avansat ca alte protetice, costul de 200 USD pentru materiale a fost substanțial sub costul de 6.000 de dolari al dispozitivelor similare, un factor care împiedică aplicarea pe scară largă în multe companii.

Kylie Wicker din Rockland, Illinois, născută fără degetele pe mâna stângă, a primit un set de operații de deget imprimat 3D din plastic, cu un cost de 5 dolari și proiectat de o clasă de inginerie a liceului. Un profesor canadian lucrează la un proces de imprimare 3D pentru a face ca membrele protetice să fie trimise în Uganda pentru victimele războaielor civile persistente.

3. Moda
Moda a utilizat imprimarea 3D pentru a crea rochii și accesorii uimitoare, prezentate pe pistele Săptămânii modei din New York 2013, precum și o rochie unică „fum”, dezvăluită la Salonul Internațional de Motor din 2013. Rochia cu fum creează automat un văl de fum ori de câte ori cineva pășește în spațiul personal al purtătorului.

Lady Gaga a purtat prima rochie zburătoare din lume, Volantis, o altă rochie imprimată 3D, la ArtRave din 2013. Continuum oferă primul bikini din 3D, complet pregătit pentru purtare, N12, denumit pentru materialul din care a fost realizat: Nylon 12.

4. Prototipuri și modele de testare
Oxfam International, o confederație internațională formată din 17 organizații care lucrează pentru a găsi modalități practice și inovatoare pentru ca oamenii să se ridice din sărăcie, a făcut echipă cu MyMiniFactory.com pentru a dezvolta modele inovatoare pentru a rezolva problemele de igienă a apei în țările lumii a treia. Modelele pot fi tipărite, testate și modificate rapid înainte de a le muta în producția de masă. Deși este încă la începutul procesului, sponsorii consideră că testarea rapidă a noilor dispozitive și modificările ulterioare posibile prin imprimarea 3D se vor dovedi de succes în proiecte umanitare precum dispozitivele de salubritate pentru cei 2,4 milioane de refugiați sirieni actuali care trăiesc în condiții aglomerate și nesanitare..

Inventatorul italian Enrico Dini a dezvoltat o imprimantă 3D, cunoscută sub numele de D-Shape, care leagă particulele de nisip pentru a crea piatră sedimentară. Se spune că imprimanta permite construcția unei clădiri de patru ori mai rapid decât mijloacele convenționale pentru jumătate din cost. Urbee, un automobil hibrid proiectat de Kor Ecologic, este un două locuri, care ajunge până la 200 de mile pe galon, cu un cost estimat în jur de 20.000 de dolari și este fabricat în întregime prin imprimare 3D.

5. Utilizare personală
Oamenii vor putea tipări bijuterii personalizate, articole de uz casnic, jucării și instrumente la orice dimensiune, formă sau culoare doresc, precum și vor putea tipări piese de schimb la domiciliu, mai degrabă decât să le comande și să aștepte să fie livrate. . Potrivit firmei de cercetare Strategia Analytics, imprimarea 3D acasă ar putea evolua într-o industrie de 70 de miliarde de dolari pe an până în 2030.

Imprimantele 3D destinate alimentelor pot rezolva chiar problema problemei de a-i determina pe copii să-și mănânce legumele, deoarece părinții vor avea capacitatea de a-i modela în tot felul de forme. Poate că un copil mic ar putea fi convins să mănânce varza de Bruxelles dacă ar fi pregătit sub forma unui dinozaur.

Obstacole la imprimarea 3D

Deși promisiunea imprimantelor 3D este substanțială, există obstacole la fel de importante pentru a fi depășite înainte de a atinge așteptările susținătorilor industriei.

1. Lipsa imprimantelor consumatoare simple și ieftine
Imprimantele 3D care vând mai puțin de 1.000 USD au o capacitate limitată, pot fi dificil de utilizat, pot fi nesigure și pot necesita utilizarea ansamblului de mână. În timp ce aceste defecte vor fi în cele din urmă depășite, poate fi nevoie de încercări și erori considerabile și timp înainte ca un model de consumabil accesibil să fie disponibil.

Un articol din 2013 în strategie + business notează că „indiferent de cât de ieftină devine o imprimantă 3D, o fabrică va continua să ofere economii la scară în materiile prime pentru imprimarea artefactului.” Articolul se întreabă, de asemenea, dacă un consumator va folosi o imprimantă 3D acasă pentru a realiza o furculiță din plastic sau o piesă de șah, dacă poate să o cumpere de la Walmart local.

2. Lipsa materialelor adecvate pentru tipărire
Imprimantele care sunt disponibile în prezent la prețuri de consum (2.500 USD și mai puțin) se bazează pe tehnologia de modelare a depozitelor fuzionate și materialele plastice PLA și ABS. Acest material nu este robust și este limitat în utilizare. Experții cred că următoarea generație va trebui să utilizeze compozite și metale de carbon dacă va fi utilă consumatorului mediu.

Un articol din 2014 din The Telegraph se aruncă în fața avocaților noii tehnologii care proclamă astfel de viitoruri strălucitoare, menționând că chiar și imprimantele 3D de succes la domiciliu „creează modele care par să fi fost lăsate pe radiator câteva ore.” Scriitorul continuă să noteze că, deși este foarte bine să încarci piese de armă pe Internet, dar fără mijloace de a face metal (o imprimantă 3D de consum nu are încă), „este mai probabil să-ți iei brațul decât trage un glonț.

3. Necesitatea cunoașterii proiectării CAD
Deși fișierele descărcabile pentru diferite obiecte sunt disponibile de pe site-uri precum Thingiverse și Shapeways, acestea sunt în general tehnice și este posibil să nu fie compatibile cu fiecare imprimantă 3D. Din cauza hype de marketing care înconjoară imprimantele, acestea pot fi descrise ca fiind mai ușor de utilizat decât experiența utilizatorilor efectivi.

Tom Meeks, colaborator al blogului 3D Printer Users, remarcă paralela dintre imprimantele 3D și sistemul de cafea Keurig și importanța designului consumatorului și a ușurinței de utilizare, menționând că a fost nevoie de Keurig 16 ani pentru a obține acceptarea pieței pe care o are astăzi. Și trebuie recunoscut faptul că există mult mai mulți băutori de cafea decât potențialii utilizatori de imprimantă 3D. Experții de marketing consideră că imprimantele trebuie să fie la fel de simple să funcționeze ca imprimantele convenționale cu laser sau cu matrice punct, dacă vor găsi o acceptare largă.

4. Lent, dezordonat și potențial periculos
Deși sunt perfecte pentru obiecte unice sau complicate, costisitoare, imprimantele sunt prea lente pentru fabricarea în masă. Materialele utilizate și emisiile lor în timpul utilizării, în special pulberile, pot fi dezordonate și potențial toxice. În cele din urmă, imprimantele 3D actuale care folosesc plastic PLA funcționează la temperaturi foarte ridicate (220 până la 230 de grade). În timp ce aceste probleme nu sunt insurmontabile, acestea vor lua timp și investiții pentru a depăși.

Cuvânt final

Nu se cunoaște dacă imprimantele 3D vor avea impactul televiziunii, computerului sau telefonului mobil, așa cum este de așteptat de către avocații săi. Pe măsură ce tehnologia evoluează, posibilitățile și beneficiile sunt interminabile. Cu siguranță este o tehnologie pe care un consumator astept ar fi cunoscător și gata să o folosească pe măsură ce se maturizează și devine un produs de consum.

Tu ce crezi? Vă interesează să dețineți o imprimantă 3D?