Приветствую, я продолжаю гонку "Контент Run" и сегодня очень интересная и многообразная тема: "Технология 3D печать и ее сферы применения".
Вступление.
На протяжении всей гонки я уже знакомила вас с разными технологиями и алгоритмами, которые впечатляют от сфер их использования и применения своим широким спектром, для удобства более подробно здесь:
Основная часть.
Сегодня я расскажу вам об удивительной технологии 3D-печати.
Технология 3D-печати — это процесс создания физических объектов на основе цифровых моделей. С помощью 3D-принтеров можно изготовить различные предметы, от простых пластиковых до сложных металлических деталей. 3D-печать используется в различных отраслях, таких как архитектура, инженерия, медицина и многих других.
Суть технологии 3D-печати заключается в последовательном нанесении слоёв материала, которые отображают контуры трёхмерной модели. Этот процесс противоположен традиционным методам механического производства, таким как фрезеровка или резка, где форма изделия формируется удалением лишнего материала.
3D-принтеры — это станки с программным управлением, которые выполняют аддитивное построение деталей.
Технология 3D-печати возникла в 1980–1990-х годах. В этот период были разработаны основные методы 3D-печати: стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM). В начале 2000-х годов появилась цветная 3D-печать и биопечать
Стереолитография (SLA) — это технология быстрого прототипирования, основанная на фотоинициированной полимеризации фотополимеризующейся композиции с использованием лазерного излучения или излучения ртутных ламп. В процессе SLA используется жидкий фотополимер, на котором создаётся сетчатая платформа для выращивания прототипа. Технология позволяет создавать трёхмерные объекты путём последовательного нанесения тонких слоёв полимера и применяется в различных областях, включая создание конструкторских и дизайнерских прототипов, макетов изделий и сборок.
Селективное лазерное спекание (SLS) — это технология синтеза на подложке, основанная на послойном спекании полимерных гранулированных материалов под воздействием лазерного луча. Лазер сканирует материал по заданной траектории, расплавляет его частицы и соединяет их между собой, образуя спекшийся слой. Эта технология позволяет изготавливать изделия сложной геометрической формы, с высокой точностью и прочностью.
Моделирование методом наплавления (FDM) — это аддитивная технология, которая используется для создания трёхмерных моделей, прототипов и промышленных изделий. Она основана на создании трёхмерных объектов путём нанесения последовательных слоёв материала, повторяющих контуры цифровой модели. В качестве материалов для печати используются термопластики, поставляемые в виде катушек нитей или прутков.
Цветная 3D-печать — это процесс создания трёхмерных объектов с использованием цветных пластиковых нитей. Она позволяет создавать яркие и красочные модели, а также комбинировать разные цвета для получения интересных эффектов.
Биопечать — это технология послойного наращивания и синтеза объектов, содержащих живые клетки и имитирующих поведение и структуру биологических тканей. Она используется для создания биологических систем и тканей, а также для решения проблемы нехватки органов и тканей для трансплантации.
Некоторые сферы применения 3D-печати и их назначения:
- Медицина и стоматология: протезирование, создание имплантатов, индивидуальные ортопедические стельки и обувь, планирование операций.
- Образование: изготовление учебных материалов, наглядных пособий и демонстрационных моделей.
- Ювелирное производство: создание уникальных украшений и аксессуаров.
- Мелкосерийное производство: изготовление сувениров, подарков и других изделий.
- Архитектура и строительство: создание макетов зданий, малых архитектурных форм и декоративных элементов.
- Дизайн и мода: разработка креативной одежды и обуви, создание дизайнерских объектов.
- Искусство и музейное дело: изготовление реплик произведений искусства, виртуальных музеев и архивов.
- Функциональное тестирование образцов: проверка работоспособности прототипов и компонентов.
Изготовление с помощью 3D-печати отличается от классического производства следующими особенностями:
- Создание трёхмерных объектов слой за слоем, в отличие от традиционных методов, таких как литьё, фрезерование или штамповка.
- Лёгкая адаптация и изменение проектов без дополнительных затрат, в отличие от традиционного производства, где требуется создание нового инструмента или приспособления для каждой новой формы.
- Сокращение времени на прототипирование, так как процесс создания прототипов с помощью 3D-печати занимает меньше времени, чем традиционные методы.
- Более эффективное использование материалов, так как 3D-печать создаёт объекты, добавляя материал только там, где это необходимо, в отличие от традиционного производства, где часто приходится вырезать изделия из больших блоков материала.
- Возможность персонализации продукции, учитывающей индивидуальные потребности и предпочтения пользователей, в отличие от массового производства, которое ограничено стандартными размерами и формами.
Плюсы 3D-печати:
- Единичные изделия дешевле изготавливать методом 3D-печати, так как не требуется подготовка производства и закупка специального инструмента.
- Высокая скорость запуска производства, так как нет необходимости заниматься подготовкой производства.
- Возможность создавать детали практически любой сложности.
- Гибкость производства, позволяющая легко изменять 3D-модель и выпускать новые детали.
- Малое количество отходов, так как пластик идёт именно на форму детали, без литников и стружки.
Минусы 3D-печати:
- Неравномерность материала (неизотропность), которая снижает механические показатели и делает изделие более хрупким.
- Небольшая точность в размерах, что ограничивает применение технологии для изделий с высокими допусками.
- Малый выбор различных материалов, особенно литейных и модельных пластиков.
- Высокая стоимость производства при больших сериях, так как пресс-формы дороги.
- Медленное производство при серийном выпуске, так как отливка происходит гораздо быстрее, чем 3D-печать.
В России технология 3D-печати применяется в различных областях, включая авиацию, строительство и медицину. Вот несколько примеров:
В посёлке в Ярославской области с помощью 3D-принтеров строят дома.
В посёлке Туношна в Ярославской области с помощью 3D-принтеров строят дома. Стоимость одного дома составляет примерно 914 тысяч рублей. Дома оснащены всеми необходимыми коммуникациями и будут использоваться как гостиницы при учебном центре «АМТ», где преподают строительство с использованием 3D-принтеров.
При возведении зданий и сооружений также создается 3D-модель — именно по ней и строится объект. 3D-принтер, на котором она печатается, собирается прямо на строительной площадке, а его размеры могут доходить до нескольких десятков метров. В качестве расходных материалов используются смеси на основе цемента, песка, гипса и других составляющих.
В Центре аддитивных технологий изготавливают детали для авиадвигателей.
В Центре аддитивных технологий госкорпорации «Ростех» изготавливают детали для авиадвигателей методом 3D-печати. С февраля 2021 года здесь планируют начать серийный выпуск деталей для российского авиадвигателя ПД-14.
В авиации аддитивные технологии еще более востребованы, чем в других сферах. Все дело в том, что 3D-печать позволяет изготавливать детали авиатехники значительно быстрее и существенно снижать их вес. В России их печатают в Центре аддитивных технологий.
С момента создания Центра здесь изготовили более 450 видов деталей. Среди них — завихрители камеры внутреннего сгорания, рабочие и сопловые лопатки, кольцо центробежного колеса и другие. Все это — компоненты двигателей российских самолетов и вертолетов: МС-21, Ка-62, Ка-226Т, Ансат-М. Производство основано на технологии селективного лазерного сплавления: в 3D-принтере частицы металлического порошка послойно сплавляются лазером, постепенно превращаясь в готовое изделие.
В промышленном производстве
Серьезные исследовательские проекты реализует Всероссийский НИИ авиационных материалов (в том числе по созданию расходных средств для трехмерной печати). Большой интерес высказывают предприятия металлургии, авиационной, космической промышленности и военно-промышленного комплекса, в их числе – НПО «Энергомаш», Тихвинский вагоностроительный завод, Уралвагонзавод, Воронежсельмаш, Тушинский машиностроительный завод и другие. В основном они применяют 3D-печать для создания прототипов деталей, а не конечных изделий.
«Аддитивные технологии открыли возможность изготовление деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания», – подчеркнул начальник отдела разработки перспективных технологий ремонта «Авиадвигателя» Александр Ермолаев.
Протезы для кошек и собак
3D-печать применяется и в медицине. Российские специалисты давно изготавливают индивидуальные протезы из биосовместимых материалов не только для людей, но и для животных. Для кошек и собак, попавших в беду, новосибирские ветеринары и ученые из Томского политехнического университета разработали импланты, которые печатаются на 3D-принтере. Они также изготавливаются по технологии SLM: частицы титанового порошка сплавляются лазером, а все производство занимает от 6 до 12 часов. Сверху на имплант наносится кальций-фосфатное напыление.
Самое важно в процедуре имплантации — чтобы протез прижился. Обычно это занимает от пары недель до нескольких месяцев. Благодаря пористой структуре и нанесенному покрытию имплант после установки полностью срастается с костью и становится с ней единым целым.
Сладости в общепите
Посмотреть, как работает 3D-принтер для печати еды, можно в одном из московских магазинов «Азбука вкуса». В 2022 году в качестве эксперимента там поставили роботов, которые наносят на печенья рисунки в виде единорогов. В качестве материала для печати используется вареная сгущенка.
Конечная цель таких экспериментов с продуктами и 3D-печатью — разработка альтернативного мяса и полный отказ от животного белка. Когда технология будет доработана, это позволит корректировать состав продуктов и создавать для каждого человека максимально сбалансированный и богатый микроэлементами рацион.
В заключении, следует 3D-печать имеет большие перспективы в разных сферах, таких как строительство, электроника, машиностроение, аэрокосмическая промышленность, медицина и реклама. Эта технология становится всё более доступной, экономичной и эффективной, что позволяет ей находить применение во многих отраслях.
Но важно понимать, из тех, минусов применения технологии для повседневного использования, которые я описала выше, что серийное массовое производство требует высокой точности, увеличение выбора материалов для изготовления, стоимость на оборудование остается высокой и остается доступной в усеченном точечном применении по определенные задачи.