3D-печать в нашей жизни уверенно набирает обороты и находит применение в самых разных областях нашей жизни. Наша задача разобраться, что она из себя представляет, в каких сферах деятельности может использоваться и какие перспективы имеет в связи с развитием данной технологии.
Мы изучили различные интернет-источники, в которых раскрывается суть и принцип работы 3D-принтеров и освещается применение этой технологии в самых разных видах деятельности человека; научную литературу (научные статьи в журнале «Юный ученый»). Тема использования 3D-печати в разных отраслях науки и промышленности достаточно широко освещается в электронных средствах массовой информации, в том числе немало статей в научно-популярных блогах о разработках, основанных на использовании изделий, изготовленных при помощи 3D-принтеров [1].
Предмет исследования
Считаем, что данное направление имеет большой потенциал для изучения открывающихся возможностей применения объемной печати в самых разных областях науки, техники и в обычной жизни: в медицине, в строительстве, дизайне, легкой и тяжелой промышленности. Например, в Дубае построено первое в мире полностью оснащённое офисное здание, созданное с помощью аддитивных технологий [2]. В медицине разрабатываются проекты по изготовлению протезов костей и суставов для имплантации, а также по выращиванию человеческих органов для пересадки без использования донорских тканей.
История возникновения
Технология 3D-печати существует с 1984 года. Компания CharlesHull создала технологию трехмерной печати для изготовления объектов при помощи цифровых данных. В 1986 году этот способ был запатентован и получил название стереолитографии. Эта же компания разработала первый промышленный 3D-принтер. В 1988 году компания 3DSystem разработала принтер для объемной печати в домашних условиях — SLA-250.
В 1993 году началось серийное производство 3D-принтеров на струйной основе при небольших затратах. В 2005 году появляется первый цветной 3D-принтер — Spectrum Z510. [3]
Принцип работы
Принцип формирования фигуры с трехмерной печати называют аддитивным (от слова Add (англ.) — добавлять). Для начала создается компьютерная модель будущего объекта. Это можно сделать либо с помощью трехмерного графического редактора, либо просканировав полностью объект в 3D.
Затем с помощью специальных программ продукта просканированный объект разбивают на слои и происходит генерация набора команд, которая определит последовательность нанесения слоев материала при печати. Далее 3D-принтер послойно формирует объект, нанося постепенно порции материала. Располагая печатающую головку в системе двух координат X и Y, принтер наносит слой за слоем по заранее смоделированной электронной схеме. При перемещении платформы на шаг вдоль оси Z начинается построение нового уровня объекта.
Для печати в качестве материала в аддитивном производстве могут быть использованы металлические сплавы, пластик, бумага, фотополимеры, минеральные смеси. Некоторые виды 3D принтеров способны работать одновременно с разными материалами, как по свойствам, так и по цвету [3].
Области применения 3D-печати
– Строительство. Есть предположение, что в будущем намного ускорится процесс возведения зданий благодаря 3D печати.
– Медицина. Благодаря трехмерной печати врачи получили возможность создавать копии человеческого скелета. Большое применение 3D принтеры нашли в стоматологическом протезировании.
– Архитектура и дизайн. Создание макетов элементов интерьера, зданий и районов позволяют оценить эргономику, функциональность и внешний вид прототипа.
– Маркетинг и реклама позволяют продемонстрировать преимущества нового товара.
– Образование. 3D-модели являются отличными наглядными материалами для обучения на всех уровнях образования.
– Автомобилестроение. 3D-моделирование позволяет протестировать автомобиль на этапе разработки.
– Моделирование. Изготовление упаковочных материалов, игрушек и сувенирной продукции.
– Легкая промышленность. Изготовление самых разных элементов потребительских товаров.
– Изготовление одежды и обуви. Материалом здесь служит полиуретан, резина и пластик.
– Ювелирное дело. Технологии 3D-моделирования позволяют создать полноценные изделия из металлического порошка.
– История и антропология. Модели создаются на базе археологических находок и позволяют оценить достоверность догадок ученых.
Количество материалов, которые используются для объемной печати, перевалило за сто. Сегодня можно использовать:
- акрил;
- бетон;
- гидрогель;
- бумага;
- гипс;
- деревянное волокно;
- лёд;
- металлический порошок;
- нейлон;
- поликапролактон (PCL);
- полилактид (PLA);
- полипропилен (PP);
- полиэтилен низкого давления (HDPE);
- шоколад и др. [4].
Перспективы дальнейшего использования объемной печати
Ученые из Оксфордского университета предложили принтер, способный производить синтетические материалы с некоторыми свойствами живых тканей. Эта разработка позволяет вести исследовательскую работу в направлении трансплантологии и создании биороботов с искусственным интеллектом [4].
3D-печатные органы, весьма приближенные по органолептическим признакам к «живым», используются в качестве учебных пособий для будущих хирургов, которые отрабатывают свои навыки перед входом в реальные чрезвычайные ситуации.
Напечатанные на 3D-принтере костные импланты были успешно пересажены и прижились, однако следующим большим шагом для этой новаторской технологии будет живая ткань, которая откроет перед человечеством огромные возможности.
Как и в любой другой 3D-печати, в этой технологии слои укладываются друг на друга, но вместо полимеров используются живые клетки, подвешенные в геле. Клетки после этого продолжают расти и формируют живую ткань, кость и даже некоторые органы.
3D-биопечать может решить проблему нехватки донорских органов и тканей для трансплантации. Пациенты могут получить 3D-печатный орган, сделанный из их собственных клеток, а не ждать его годами в бесконечных очередях. Реальное воплощение этой технологии по-прежнему далеко от реальности, но университетские лаборатории и частные компании уже предприняли первые успешные шаги по созданию миниатюрных фрагментов органов [5].
Итальянский робототехник Энрико Дини создал принтер D-Shape, который может напечатать макет двухэтажного здания, включая комнаты, лестницы, трубы и перегородки. При этом используются только песок и неорганические композиционные материалы. Прочность полученного материала ученые сопоставляют с железобетоном. Но инженеры пошли дальше и предлагают даже применять их в сфере космических исследований для строительства лунных баз. По данным издания TopNewsWeek.com, в настоящий момент группа ученых, состоящая из сотрудников Университета Вашингтона (США) и НАСА, активно работает над созданием технологии и соответствующего оборудования, которые позволят осуществлять 3D-печать с использованием лунной пыли. Цель, как уже можно догадаться, заключается в том, чтобы в процессе колонизации нашего естественного спутника печатать необходимые элементы (например, запасные части к луноходу), а в перспективе и строительные материалы для возведения жилых и рабочих модулей станции прямо на Луне [8].
Уже принято решение установить такое устройство на Международной космической станции для того, чтобы астронавты могли быстро напечатать необходимые детали, а не ждать их прибытия с Земли [4].
На орбите проведен опыт по синтезу искусственного мяса: космонавт Олег Скрипочка напечатал на 3D-принтере искусственную отбивную. Для производства на МКС мяса без применения природных ресурсов был использован отечественный магнитный биопринтер «Орган.Авт». Как прогнозирует международная Организация экономического сотрудничества, в течение 6 лет потребление говядины в мире вырастет на 8 %, до 27 млн тонн. При этом до половины потребителей готовы попробовать «искусственное» мясо при условии снижения на него цены (пока искусственно созданное мясо на треть дороже настоящего) рынок может достичь рекордного показателя потребления такого продукта уже к 2025 году [7].
Компания «Росатом» и многие частные владельцы 3D-принтеров начали изготовлять клапаны для аппаратов искусственной вентиляции легких. Потребность в этих компонентах многократно возросла в связи с пандемией коронавируса COVID-19. При изготовлении используется биосовместимый полимер, изделие не требует дополнительной обработки [6].
Частные лица активно принимают участие в разработке и изготовлении расходных материалов для медиков, необходимых в повседневной борьбе с коронавирусом (рис.1).
Рис. 1
Практическая часть
У моего дяди есть собственный 3D-принтер. Я попросила его напечатать для меня опытный образец игрушки «паук» и наглядно показать и рассказать весь процесс по ее созданию.
Цифровая модель игрушки была взята с ресурса https://www.thingiverse.com/, где представлен большой ассортимент цифровых «заготовок» для огромного множества различных изделий — от игрушек до полезных девайсов и аксессуаров, включая маски и покрытия для лица, предназначенные для борьбы с COVID-19.
Оборудование: 3D-принтер Flashforge Adventurer 3.
Материал для изготовления игрушки — цветной полимер PLA.
Далее весь процесс послойного нанесения материала согласно цифровой схеме модели был поэтапно снят на фото (рис. 2).
Рис. 2
Кроме того, он напечатал специально для меня держатели для смартфона, которые я использовала во время конференц-связи и онлайн-уроков в период дистанционного обучения (рис. 3)
Рис. 3
Заключение
Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. В нашей работе мы пришли к выводу, что объемная печать активно используется в разных отраслях науки, промышленности и в различных сферах повседневной жизни. Аддитивные технологии способны вывести человечество на новый уровень развития и решить многие актуальные проблемы в сфере сохранения биоресурсов нашей планеты, регенеративной медицины, космических технологий. Аддитивные технологии можно с уверенностью назвать технологиями будущего.
Литература:
- Воробьёва, Юлия Впервые испытан 3D-принтер, ускоряющий восстановление мышц / Юлия Воробьёва. — Текст: электронный // Вести.ру Наука: [сайт]. — URL: https://www.vesti.ru/doc.html?id=3244657&cid=2161 (дата обращения: 31.05.2020).
- Сагайдак, Д. Г. Использование аддитивных технологий в строительной области / Д. Г. Сагайдак. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 13 (303). — С. 47–50. — URL: https://moluch.ru/archive/303/68428/ (дата обращения: 31.05.2020).
- Михайлова, А. Е. 3D принтер — технология будущего / А. Е. Михайлова, А. Д. Дошина. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 20 (100). — С. 40–44. — URL: https://moluch.ru/archive/100/22467/ (дата обращения: 31.05.2020).
- Акбутин, Э. А. 3D-принтер: история создания машины будущего / Э. А. Акбутин, Т. Н. Доромейчук. — Текст: непосредственный // Юный ученый. — 2015. — № 1 (1). — С. 97–98. — URL: https://moluch.ru/young/archive/1/64/ (дата обращения: 31.05.2020).
- Морозов, Н. А. Печать органов человека на 3D-принтере и как это устроено / Н. А. Морозов, М. А. Яценко, М. А. Петров, В. В. Ермолаева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 24 (210). — С. 33–36. — URL: https://moluch.ru/archive/210/51478/ (дата обращения: 31.05.2020).
- Росатом приступает к 3D-печати клапанов для аппаратов искусственной вентиляции легких. — Текст: электронный // Росатом: [сайт]. — URL: https://rosatom.ru/journalist/news/rosatom-pristupaet-k-3d-pechati-klapanov-dlya-apparatov-iskusstvennoy-ventilyatsii-legkikh/ (дата обращения: 31.05.2020).
- В космосе на 3D-принтере напечатали отбивную. — Текст: электронный // Инвест-Форсайт: [сайт]. — URL: https://www.if24.ru/v-kosmose-na-3d-printere-napechatali-otbivnuyu/ (дата обращения: 31.05.2020).
- 3D-печать (аддитивное производство). — Текст: электронный // MPlast.by: [сайт]. — URL: https://mplast.by/encyklopedia/3d-pechat-additivnoe-proizvodstvo/ (дата обращения: 31.05.2020).
- https://multiurok.ru/index.php/blog/3d-printier-tiekhnologhiia-budushchiegho.html?
