Строительство
Правда, здания можно печатать уже сейчас. Строительных 3D-принтеров пока не много, но они уже демонстрируют интересные результаты. Суть процесса, как правило, сводится к послойной печати стен из специально сформулированной цементной смеси. Рецепт смеси очень важен, так как она должна достаточно быстро застывать, чтобы ее не раздавило следующими слоями. С другой стороны, слишком быстрое высыхание не позволит слоям схватываться друг с другом. Получаемые полые стенки служат своего рода несъемной опалубкой, в которую можно вставить утеплители, арматуру, провести коммуникации, а для пущей прочности залить оставшиеся полости бетоном и получить монолитную структуру. Преимущество такой технологии над привычной опалубкой заключается в возможности создавать всевозможные доселе немыслимые формы – округлые, спиральные и пр.
Хотели бы себе дом, напечатанный на 3D-принтере?
Прекрасным примером стали работы Андрея Руденко, напечатавшего миниатюрный замок на иллюстрации. Недавно Андрей взялся за совершенно серьезный проект, напечатав пристройку к гостиничному комплексу на Филиппинах. А сноровистые китайцы из компании WinSun уже успели напечатать пятиэтажное здание, хотя осуществили этот проект по частям, собирая напечатанные панели на месте строительства.
Технология LCD
Ещё недавно, около 2017 года, 3d-принтеры для печати фотополимером были дорогими. Однако изобретение печати на основе проницаемых матриц LCD изменило ситуацию в корне. На середину 2019 года можно приобрести фотополимерный 3d-принтер хорошего качества примерно за 30 000 рублей.
LCD матрица для 3d принтера представляет из себя экран по аналогии с экраном сотового телефона. Сама по себе такая матрица не излучает свет. Она может только изменять степень светопропускания в различных областях. Так формируется картинка слоя печати. А вот источник излучения находится за lcd матрицей. Таким образом для создания подобного 3д-принтера нужно было всего лишь заменить лампу-излучатель на источник ультрафиолетового излучения. Напомним, что подавляющее большинство фотополимеров застывают под действием именно УФ излучения.
Что такое 3D принтер и для чего его используют
Современные строительные технологии – очень востребованный товар, специалистов в этом деле принимают с распростёртыми объятиями, переманивая у конкурентов. Гонка почти космическая – кто первым выложит на рынок инновацию, тот и получит супервыгоду. Неудивительно, что трудолюбивые китайцы уже не просто изобрели, но и стали чуть ли не массово выпускать строительные принтеры. Они продемонстрировали миру, как всего один агрегат за 30 дней построил целый поселок. Не отстают от них и другие страны, отечественные производители тоже включились в этот бизнес и пока на их стороне очевидная выгода – устройство строительного принтера довольно габаритное.
Гораздо проще заказать трехмерный станок в России, чем везти из-за рубежа с немалыми транспортными и таможенными расходами
Итак, что такое 3D принтер и как он работает? Главная задача механизма состоит в последовательной послойной подаче строительной смеси на площадку. Программное обеспечение руководит сервоприводом, заставляя его оставлять места для оконных и дверных проемов, прокладки коммуникаций. Материалом строительства является обычный пескобетон, а также смеси на основе гипса, фиброволокна и геополимеров.
Работа устройства требует предварительной подготовки площадки и проекта здания.
Все особенности строительства вносятся в управляющую программу, в ходе работ оператор следит за процессом и вносит необходимые коррективы
От обычной печати 3D принтером строительный отличается, разве что, габаритами и используемым сырьём. Раствор подается с помощью автоматического экструдера. Благодаря компьютерному управлению, движения головки принтера имеют отклонения, разве что, в пару миллиметров.
Функциональность печатных изделий
Она зависит от нескольких факторов:
- качества печати;
- используемого материала и др.
Домашние варианты подходят, чтобы печатать шестеренки, например, для самодельных роботов или корпуса для электронных девайсов. Опытным любителям под силу печать уникальных изделий из современного композитного материала с добавками углеволокна. «Напечатать» игрушки, ручки для посуды и прочее – проблем не составляет. Но, с помощью принтеров можно отремонтировать вещи раритетные, с производства снятые давно.
В России выпуск собственных 3D-принтеров тоже отлажен. Изделия, с помощью их изготовленные, не хуже по качественным характеристикам зарубежным аналогам. Кроме этого, всегда есть, куда обратиться, если потребуется сервисное обслуживание.
Есть еще одна разновидность машин, которые работают с:
- смолами жидкими, для отверждения которых используют свет;
- порошками металлическими и пластиковыми, для спекания которых применяют лазеры;
- изготавливающие из обычной бумаги трехмерные предметы.
Как создают изделия?
Практически все объекты на трехмерных печатающих аппаратах создаются по технологии послойного синтеза объектов. При таком механизме работы рабочая фракция наслаивается друг на друга снизу вверх, пока получившаяся заготовка не будет в точности повторять исходную модель. Есть еще и фотополимерная печать или стереолитография, где материал застывает под воздействием лазерного луча.
Вопреки расхожему мнению не только пластик может быть основой для создания трехмерных элементов. Многие аппараты также могут использовать фотополимерные смолы, металлический порошок и металлоглину. Процесс являет собой череду непрерывных циклов, в ходе который печатающая головка движется без остановки, пока полностью все изделие не будет готово.
Как запрограммировать 3D-принтер?
Получить качественное изделие, напечатанное на 3Д принтере нпользователь не сможет, если перед этим не настроить оборудование как следует. Читай краткую инструкцию, чтобы не ошибиться:
- Определись с исходником. Создай собственный вариант будущего экземпляра в специализированной программе для чертежей или поищи в интернете подходящий вариант.
- Подготовь шаблон. Чтобы прибор смог напечатать то, что нужно, он должен «понимать» как это сделать. Программы-слайсеры разбивают модель на составляющие, задают координаты и скорость движения печатающей головки,ее скорость и толщину слоев.
- Перенаправь шаблон на принтер. После обработки в программе-слайсере модель передается на устройство, которое и запускает процесс создания объекта.
Тебе останется только наблюдать за процессом. Но хотим тебя предупредить: это займет время, поэтому лучше завари себе чай и прими удобную позу.
Что это такое?
Для начала рассмотрим, что собой представляет 3D-принтер. Печать на бумаге с помощью двухмерных технологий достигла вершины своего развития. Рынок переполнен различными устройствами для струйной, лазерной печати. Любой человек может открыть у себя дома студию печати изображений: настолько доступными и компактными стали принтеры. Поэтому человечество решило пойти дальше – совсем недавно появились принтеры, на которых возможна печать трехмерных объектов. Что же такое 3D-принтер?
Это устройство, которое использует метод послойного изготовления вещи. За основу берется виртуальное изображение в трехмерном формате, которое принтер и начинает изготавливать слой за слоем.
На данный момент существуют разные устройства, которые могут использовать различные материалы: от пластика до металла. Благодаря технологии 3D-принтера можно изготавливать трехмерные объекты любого уровня сложности. Даже детали с подвижными частями будут напечатаны в соответствии с задуманным макетом. Это открывает широкий простор для различных экспериментов и значительно упрощает жизнь.
Немного из истории 3D принтеров
Несмотря на то, что технология трехмерной печати находится у всех на слуху только последние несколько лет, ее появление стоит искать еще в прошлом веке. Пионером в данной области стала компания Charles Hull, которая в 1984 году разработала технологию трехмерной печати, а чуть позже запатентовала технику стереолитографии, которая сегодня используется повсеместно. Тогда же компания разработала и создала первый промышленный трехмерный принтер, который фактически стал началом новой эпохи.
90-е годы стали временем появления новых разработок в сфере трехмерной печати, благодаря которым 3D принтеры нашли применение в производственных условиях и стали использоваться для прототипирования. Пик развития технологии приходится на XXI век, и мы сами становимся очевидцами того, как семимильными шагами трехмерная печать покоряет новые вершины. Сегодня печать может осуществляться разными материалами, причем не только пластиками и металлом, но и тканью, бумагой, керамикой, пищевыми продуктами и даже живыми клетками.
В 2005 году появилась возможность печатать в цвете, а в 2006 году был создан принтер, который может распечатать около половины всех собственных комплектующих. В 2014 году появились первые принтеры с областью печати, практически неограниченной в размере. С помощью этого устройства уже попытались создать полноценный дом, используя в качестве основного материала бетон. На возведение такого сооружения было потрачено не более суток. Уже в 2016 году было представлено первое здание, построенное с помощью трехмерной печати в Дубае. В феврале 2017 года Россия также представила дом, целиком напечатанный на стройплощадке. В этом году также был разработан принтер с шестью осями, с помощью которого сложные элементы будет печатать намного проще, без необходимости использовать поддерживающие конструкции. На данный момент вовсю ведутся разработки принтеров, которые смогут печатать органы человека, протезы, имплантаты, корпусы автомобилей и даже еду.
Производство одежды
Принтеры с технологией 3D печати постепенно осваивают сферу производства одежды, и в первую очередь – производство моделей для высокой моды.
Не так давно голландский модельер Айрис Ван Херпен представила коллекцию «Напряжение», все модели которой были созданы при помощи 3D печати. Коллекция была представлена на Неделе высокой моды в Париже.
Комплекты одежды, напечатанные с использованием 3D принтера
Технология 3D печати позволяет использовать для изготовления одного предмета одежды несколько различных материалов. Такой подход позволяет решить проблемы, связанные с прочностью и эластичностью изготавливаемых вещей.
Комплекты одежды, напечатанные 3D принтером
Одежду, напечатанную 3D принтером, пока можно увидеть только на показах мод. Но не остаётся сомнений, что внедрение подобных изделий в массовое производство является лишь вопросом времени. Возможно, в ближайшем будущем мы сможем не выходя из дома напечатать себе новую рубашку, вечернее платье или даже шубу необходимого цвета и размера.
Точность позиционирования экструдера 3D-принтера.
Данный параметр обуславливает точность повторения центром сопла экструдера траектории заданной в G-коде. Другими словами этот параметр характеризует максимально возможное отклонения центра сопла экструдера от траектории во время печати. Этот параметр указывается производителем 3Д-принтера для конкретной модели принтера. Но надо отметить, что указанный параметр соответствует рекомендованной производителем скорости 3Д-печати. В свою очередь специалисты Studia3D при подготовке G-кода сводят влияние данного параметра к минимуму, но не исключают вовсе. Помимо скорости на этот параметр влияет жесткость конструкции 3Д-принтера и система привода экструдера.
Недостатки использования 3D-печатных плат
К недостаткам использования 3D-печатных плат можно отнести:
- Первый недостаток – ограниченная доступность материала. 3D-печатные платы изготавливаются из металлов или пластмасс с контролируемой температурой, и не все металлы и пластмассы могут регулироваться температурой.
- Материал, используемый в печатных платах 3D, не является экологически чистым и не подлежит переработке. Кроме того, очень немногие металлы и пластмассы, используемые при 3D-печати печатных плат, безопасны для пищевых продуктов.
- Камеры печати, используемые в 3D-принтере, имеют ограниченный размер, и размер этих камер также ограничивает производительность, которую эти камеры могут производить. Это означает для более крупного проекта; вам нужно распечатать разные части по отдельности, а затем соединить их вместе. Это займет много времени и потребуется ручной труд, поэтому стоимость увеличивается.
- Методы постобработки влияют на скорость получения готового продукта, особенно в больших проектах. Методы последующей обработки включают водоструйную очистку, шлифование, воздушную или тепловую сушку, химическое замачивание и ополаскивание и т. Д.
- Дизайн – это одновременно сила и недостаток печатных плат 3D. Некоторые принтеры имеют меньший допуск, поэтому возникают неточности в дизайне, и конечные детали могут отличаться от оригинального дизайна. Эти неточности конструкции могут быть исправлены методами постобработки, но, как упоминалось ранее, они увеличивают стоимость.
Это были некоторые из недостатков печатных плат 3D. Теперь обсудим преимущества использования 3D-печатных плат.
3D-Принтеры
И наконец, с помощью 3D-принтеров можно печатать… 3D-принтеры! В среде мейкеров существует термин «RepRap», расшифровывающийся примерно как «самовоспроизводящийся 3D-принтер». На самом деле простейший 3D-принтер есть ни что иное, как станок с числовым программным управлением – набор направляющих, подшипников, креплений и печатающих головок, управляемых относительно простым компьютерным контроллером.
«Мы создали принтер, чтобы сделать 3D-принтер»
Многие из элементов конструкции (крепления, ножки, уголки и даже корпуса печатающих головок) изготавливаются из пластика, так почему бы не напечатать их на другом 3D-принтере? Именно этим и занимаются настоящие мейкеры, а многие из лидирующих компаний вроде MakerBot, Ultimaker или российского PICASO выросли именно из таких самодельных проектов и до сих пор используют 3D-печатные детали в конструкции своих фирменных принтеров.
По материалам 3Dtoday.ru
— Хм, тогда почему 3D-печать так популярна? Это что-то новое?
Новое — понятие относительное. Первые разработки и прототипы, которые легли в основу современной 3D-печати, появились 80-х годах XX века, то есть всего лишь около 40 лет назад.
Газетная статья, датируемая 1987 годом. На Фото Carl Deckard и Joe Beaman демонстируют пластиковые модели, производенные на установке селективного лазерного спекания — прототипе современных 3D-принтеров.
Wilfried Vancraen — основатель и генеральный директор бельгийской компании Materialise, пионера 3D-печати в Европе.
В то же время, первый патент на беспроводную связь, например, был получен в 1872 году, около 145 лет назад, а первые примитивные токарные станки стали появляться еще в 14 веке.
Поэтому да, 3D-печать действительно можно назвать относительно новой технологией, однако она вовсе не является разработкой последних нескольких лет.
Технология 3D печати
Рассматривая виды и характеристики 3д принтеров нужно понять, что представляет собой технология 3D печати. Основная суть работы принтера — создание объемных моделей, обработка цифрового макета и реализация его в пластике или другом подходящем материале. В результате можно получить физический объект, который можно использовать по назначению. Для работы технологии требуется:
- 3D принтер — устройство для создания послойным способом макета, посредством использования специально созданной в компьютерной программе объемной 3D модели;
- подходящий материал для производства;
- средней мощности компьютер для обработки заданных параметров.
Технологии печати такова, что для начала работы прибора требуется его подключение к компьютеру, так же в некоторых моделях принтера можно загружать макеты на носителе информации (карты памяти и т.п.)
Разъем подключения и кард-ридер.
Производители
Помимо китайских и кустарных принтеров (да, его реально собрать дома самостоятельно), есть несколько моделей, которые популярны больше остальных, и поэтому их поддержка программным обеспечением максимально широка, если можно так говорить о столь новой области. На сегодняшний день это модели MakerBot Replicator 2, PrintBox3D One, Picaso Designer, UP Plus 2, Cube и CubeX. Отличия у каждого из них сводятся к перечисленным в предыдущем параграфе пунктам, размерам камеры и различным дополнительным опциям наподобие Wi-Fi-модуля. Помимо этих моделей, есть, конечно, и другие, но опять-таки нельзя сказать, что они сильно отличаются с технической точки зрения: всё-таки это больше страна-производитель, размеры, скорость печати и количество поддерживаемых типов пластика.
Вот такие они, поворотные принтеры
Напоследок нужно сказать про поворотные 3D-принтеры. Они пока что совсем никакой популярностью не пользуются, но у них есть всё-таки ряд существенных преимуществ по сравнению с «традиционными» 3D-принтерами — если последние можно так назвать. Главное из них — 3D-принтер с поворотной платформой обеспечивает больший рабочий объем по сравнению с устройствами, работающими в декартовой системе координат. Такой принтер использует полярную систему координат (радиус и угол), чтобы рассчитать движение печатной головки: система автоматически конвертирует модели, созданные в декартовой системе координат, в полярные координаты. Поэтому с подобным 3D-принтером можно использовать стандартное ПО, использующееся в «традиционных» 3D-принтерах без поворотной платформы. Физически это выглядит вполне очевидно: платформа вращается, а его экструдер движется по радиусу платформы от её центра к краю. Такая конструкция в два раза сокращает путь экструдера и снижает необходимость его поддержки.
История появления
История создания подобной техники зародилась еще в середине 80-х годов прошлого столетия, но слабое развитие компьютерных технологий «заморозило» активное внедрение трехмерной печати в быт и производство.
Ощутимый старт 3Д-принтеры получили только в 2005 году, наряду с совершенствованием компьютерных возможностей. Тогда публике был представлен первый трехмерный принтер, который печатал в цвете. Впоследствии техника претерпела немало изменений, было разработано современное программное обеспечение для управления процессом печати. В результате пользователям стал доступен функциональный агрегат, способный «печатать» чехлы для телефонов или новые 3D-принтеры.
Первый 3D принтер
Мелкосерийное производство
Профессиональные 3D принтеры постепенно отвоёвывают свои позиции в сфере мелкосерийного производства. Чаще всего данную технологию печати используют для изготовления эксклюзивных изделий, например предметов искусства, фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр, прототипов и концептуальных моделей будущих потребительских товаров или их конструктивных деталей. Такие модели используются как в экспериментальных целях, так и для презентаций новых товаров.
Мелкосерийные модели, напечатанные 3D принтером
Для мелкосерийной 3D печати чаще всего используют системы Dimension, модели Elite и SST 1200ES, а также системы Fortus, модели 400mc и 900 mc.
Функциональное тестирование
Использование 3D принтеров для функционального тестирования – это один из современных методов инновационных разработок. В большинстве случаев требуется протестировать новый механизм в сборе, но изготовить отдельные компоненты в одном экземпляре слишком долго, дорого и весьма проблематично. На помощь приходят 3D принтеры с различной степенью детализации моделей.
Функциональное 3D тестирование
Для функционального 3D тестирования рекомендуется использовать принтеры Objet 24 и 30, устройства Eden 250, 260V, 350, 500V, а также Objet 260 Connex, Connex 350 и 500. Для изготовления функциональных 3D моделей из пластика разработаны машины Dimension uPrint, uPrint+, Elite, SST 1200ES, а также Fortus 400mc и 900mc.
Устройство строительного 3D принтера, принцип работы
Стоит отметить, что аддитивные технологии и способы 3D печати бывают разные: лазерное плавление, спекание, стереолитография, наплавления. Следовательно, устройства принтеров тоже различны.
В строительстве используется два типа печати:
- метод экструзии LDM, аналогичный FDM, но без нагрева;
- 3DP или 3D печать сухим порошковым материалом. Данный способ аналогичен SLS (лазерному спеканию), но вместо лазера материал склеивают связующим раствором.
Метод экструзии является самый распространённым. С его помощью можно создавать отдельные строительные элементы, а также полностью возводить здание непосредственно на участке. Второй способ применяется в основном для изготовления декоративных строительных элементов, малых архитектурных форм.
Печать осуществляется специально печатающей головкой, оснащённой шнековым экструдером и бункером для смеси. Специальная мелкозернистая смесь подаётся в бункер вручную или с помощью насоса и послойно выдавливается на участок согласно проектной документации. Таким образом формируются отдельные детали или стены дома.
Существует три основных вида строительного принтера:
- портальный;
- с дельтовидным приводом;
- кранового типа;
- манипулятор.
Портальный строительный принтер
Наиболее перспективный вид строительного 3D принтера. Он напоминает козловой кран, но вместо крюка на тросе у него ферма с печатающей головкой. Этот тип ещё называют XYZ-принтер, поскольку при печати он перемещается по трём взаимно перпендикулярным осям.
В качестве привода обычно используются шаговые двигатели. Такие принтеры способны печатать отдельные детали, малые архитектурные формы, а также небольшие здания целиком, при условии, что они помещаются под аркой устройства.
Простота и надёжность конструкции, а также возможность возведения здания непосредственно на участке являются важными преимуществами данного оборудования. В тоже время, большие габариты и трудоёмкий процесс сборки ограничивают возможность оперативного перемещения.
Трёхосевой (дельтовидный) принтер
Конструкция трёхосевых принтеров похожи на портальную. Основой конструкции также является металлическая ферма. Но она не перемещается на рельсах, а фиксирована. Также отличается крепление печатающей головки. Бункер с экструдером закреплены на рычагах, представляющих собой перевёрнутый штатив с телескопическими «ногами», которые закреплены на направляющих. Таким образом обеспечивается большая подвижность печатающего устройства, но ограничивается площадь печати.
Именно небольшое пространство рабочей зоны дельтавидного 3D принтера и трудоёмкий процесс сборки существенно сужают сферу применения данного оборудования.
Крановый принтер и манипулятор
Иногда печатающее устройство ставят не по периметру, а в середину объекта. Такие принтеры напоминают башенные строительные краны. Их обычно размещают внутри здания, поскольку рабочая зона такого оборудования ограничена вылетом стрелы. Однако они имеют небольшие габариты и вес, что позволяет легко транспортировать. К тому же подготовка такого оборудования к работе происходит достаточно быстро.
Принтеры-манипуляторы используют роботизированную руку для перемещения печатающей головки. Они мобильны, имеют большую гибкость по сравнению с оборудованием кранового типа. Но из-за своей технологичности их цена гораздо выше аналогов.
Стоит отметить, что разработчики не останавливаются на стандартных решениях. Кроме создания непосредственно 3D принтеров, существует оборудование для печати строительных конструкций, являющееся сменным оборудованием. Например, французская компания оснастила кран-паук бетононасосным оборудованием, которое подаёт раствор на закреплённую на конце стрелы печатающую головку. Таким образом базовая машина может выполнять функции крана или возводить бетонные внутренние перегородки.
Проблемы персонификации
Корпорации Nike и Adidas с 2012 года экспериментируют с 3D-печатью при производстве кроссовок. Цель — создавать спортивную обувь в присутствии покупателя по индивидуальным характеристикам его стопы. Например, в Adidas в 2015 году заявляли, что потребитель сможет прийти в магазин, провести пару минут на беговой дорожке и тут же получить напечатанную пару беговых кроссовок, которые учитывают контуры стопы и точки давления при беге. В это же время Nike заявляла о возможности печатать обувь прямо на дому у клиента. Для этого всего лишь нужно загрузить файл с параметрами кроссовок и характеристиками стопы с сайта корпорации в домашний 3D-принтер.
Однако к 2020 году эти возможности так и остались нереализованными. На практике все оказалось сложнее.
Дело в дороговизне таких изделий: потребитель не готов платить за кастомизированные кроссовки в разы дороже, когда можно выбрать подходящую модель из тысяч более доступных вариантов.
Не приживается кастомизация и у автопроизводителей. Например, концерн BMW в 2017 году запустил сервис MINI Yours Customised, который позволял кастомизировать новый или ранее приобретенный автомобиль MINI с помощью декоративных элементов, напечатанных на 3D-принтере. Например, можно было заказать индивидуальные боковые вставки на кузов, детали отделки салона, светодиодные накладки на дверные пороги и светодиодные проекторы дверей. Однако сейчас сервис недоступен.
Экономика инноваций
Как выглядит первая напечатанная на 3D-принтере деревня
Как удешевить кастомизированное изделие?
Стоимость готового изделия в первую очередь зависит от материалов для 3D-печати. Один из способов сократить издержки — производить расходные материалы самостоятельно.
»Если бы я создавал производство персонифицированной продукции, я решал бы вопрос создания расходных материалов на месте потребления, — объясняет Денис Власов. — То есть если бы я планировал выпускать обувь с кастомной подошвой, то я бы начал выпускать для нее полимеры. Если контролировать стоимость расходных материалов, можно получать очень хорошую цену продажи готового товара».
Другой вариант снизить издержки на расходные материалы возможен с развитием аддитивных технологий и разработки новых материалов для печати.
«В России производят достаточно материалов для 3D-печати приемлемого качества. Сами производить материалы мы точно не будем, потому что это отдельный бизнес, который требует других компетенций, — говорит Артур Герасимов, генеральный директор компании «Инновакс» (резидент «Сколково»). — Но что могло бы снизить стоимость 3D-производства в принципе, так это появление технологии печати непосредственно сырьем. Сейчас для печати используются материалы в виде порошка или нитей. Если исключить промежуточный этап переработки сырья и создать оборудование, которое будет работать на исходном материале — гранулах, без дополнительного этапа его переработки в порошок или нити, это удешевит стоимость материалов в 5-10 раз. Такие разработки сейчас ведутся».
