Аддитивное производство и 3D-печать: история и технологии

3D-печать: аддитивное производство объектов из цифровых моделей. Преимущества: сложность форм, снижение отходов, промышленные технологии, FDM.

34 мин чтения

100%

Источник: 3D printing — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Аддитивный процесс, используемый для создания трехмерного объекта.

3D-печать или аддитивное производство – это создание трехмерного объекта из CAD-модели или цифровой 3D-модели. Это может быть реализовано различными способами, в которых материал наносится, соединяется или затвердевает под компьютерным управлением. По состоянию на 2019 год точность, воспроизводимость и диапазон используемых материалов в 3D-печати достигли уровня, когда некоторые процессы 3D-печати признаны пригодными для использования в качестве технологии промышленного производства; в этом контексте термин «аддитивное производство» может использоваться как синоним «3D-печати». Одним из ключевых преимуществ 3D-печати является возможность создания очень сложных форм и геометрий, которые было бы невозможно изготовить вручную, включая полые детали или детали с внутренними поддерживающими структурами для снижения веса и уменьшения количества отходов материала. Моделирование методом послойного наплавления (FDM), использующее непрерывную нить термопластичного материала, является наиболее распространенным процессом 3D-печати по состоянию на 2020 год. 3D-печать и аддитивное производство объединяет общая концепция добавления или соединения материала в трехмерном пространстве под автоматическим управлением. Питер Зелински, главный редактор журнала Additive Manufacturing, в 2017 году отметил, что эти термины по-прежнему часто используются как синонимы в повседневной речи, однако некоторые эксперты в производственной отрасли стремятся провести различие, согласно которому аддитивное производство включает в себя 3D-печать, а также другие технологии или аспекты производственного процесса. Описание этого процесса также встречается в рассказе Реймонда Ф. Джонса «Инструменты торговли», опубликованном в ноябрьском выпуске журнала Astounding Science Fiction в 1950 году, где он назвал это «молекулярным распылением».

1980-е годы

Первое оборудование и материалы для аддитивного производства были разработаны в 1980-х годах. Он подал заявку на патент на этот XYZ-плоттер, который был опубликован 10 ноября 1981 года (JP S56 144478). Результаты его исследований в виде научных статей были опубликованы в апреле и ноябре 1981 года. Однако на серию его публикаций не последовало никакой реакции. Его устройство не получило высокой оценки в лаборатории, и его руководитель не проявил к нему интереса. Его исследовательский бюджет составлял всего 60 000 иен, или 545 долларов в год. От приобретения патентных прав на XYZ-плоттер отказались, и проект был закрыт. Патент США 4323756 на метод изготовления изделий путем последовательного нанесения слоев, выданный 6 апреля 1982 года компании Raytheon Technologies Corp, описывает использование сотен или тысяч "слоев" порошкового металла и источника лазерной энергии и является ранней ссылкой на формирование "слоев" и изготовление изделий на подложке. 2 июля 1984 года американский предприниматель Билл Мастерс подал заявку на патент на свой автоматизированный компьютерный производственный процесс и систему (US 4665492). Эта заявка зарегистрирована в USPTO как первый в истории патент на 3D-печать; это был первый из трех патентов, принадлежащих Мастерсу, который заложил основу для современных систем 3D-печати. 16 июля 1984 года Ален Ле Мео, Оливье де Витт и Жан-Клод Андре подали заявку на патент на процесс стереолитографии. Заявка французских изобретателей была отклонена французской компанией General Electric (ныне Alcatel Alsthom) и CILAS (Лазерный консорциум). Причиной было "отсутствие коммерческой перспективы". В 1983 году Роберт Говард основал R. H. Research, позже переименованную в Howtek, Inc. в феврале 1984 года для разработки цветного струйного 2D-принтера Pixelmaster, который был коммерциализирован в 1986 году с использованием термопластичных (горячего расплава) пластиковых чернил. Была сформирована команда, первым клиентом Modelmaker 6Pro стала компания Hitchner Corporations, Metal Casting Technology, Inc. в Милфорде, штат Нью-Гэмпшир, в миле от предприятия SDI в конце 1993 года. В 1995 году они начали отливать клюшки для гольфа и детали для автомобильных двигателей. 8 августа 1984 года был выдан патент US4575330, первоначально присвоенный UVP, Inc., а затем Чаку Халлу из 3D Systems Corporation в 1987 или 1988 году. Технология, используемая в большинстве современных 3D-принтеров, особенно в моделях для любителей и потребителей, — это моделирование методом наплавления, специальное применение пластиковой экструзии, разработанное в 1988 году С. Скоттом Крампом и коммерциализированное его компанией Stratasys, которая в 1992 году представила на рынок свою первую машину FDM.

Early additive manufacturing equipment and materials were developed in the 1980s. He filed a patent for this XYZ plotter, which was published on 10 November 1981. (JP S56 144478). His research results as journal papers were published in April and November of 1981. However, there was no reaction to the series of his publications. His device was not highly evaluated in the laboratory and his boss did not show any interest. His research budget was just 60,000 yen or $545 a year. Acquiring the patent rights for the XYZ plotter was abandoned, and the project was terminated. A US 4323756 patent, method of fabricating articles by sequential deposition, granted on 6 April 1982 to Raytheon Technologies Corp describes using hundreds or thousands of "layers" of powdered metal and a laser energy source and represents an early reference to forming "layers" and the fabrication of articles on a substrate. On 2 July 1984, American entrepreneur Bill Masters filed a patent for his computer automated manufacturing process and system (US 4665492). This filing is on record at the USPTO as the first 3D printing patent in history; it was the first of three patents belonging to Masters that laid the foundation for the 3D printing systems used today. On 16 July 1984, Alain Le Méhauté, Olivier de Witte, and Jean Claude André filed their patent for the stereolithography process. The application of the French inventors was abandoned by the French General Electric Company (now Alcatel Alsthom) and CILAS (The Laser Consortium). The claimed reason was "for lack of business perspective". In 1983, Robert Howard started R. H. Research, later named Howtek, Inc. in Feb 1984 to develop a color inkjet 2D printer, Pixelmaster, commercialized in 1986, using Thermoplastic (hot melt) plastic ink. A team was put together, 6 members Sanders (SDI) first Modelmaker 6Pro customer was Hitchner Corporations, Metal Casting Technology, Inc in Milford, NH a mile from the SDI facility in late 1993 1995 casting golf clubs and auto engine parts. On 8 August 1984 a patent, US4575330, assigned to UVP, Inc., later assigned to Chuck Hull of 3D Systems Corporation later in 1987 or 1988. The technology used by most 3D printers to date—especially hobbyist and consumer oriented models—is fused deposition modeling, a special application of plastic extrusion, developed in 1988 by S. Scott Crump and commercialized by his company Stratasys, which marketed its first FDM machine in 1992.

1990-е годы

AM-процессы для спекания или плавления металлов (такие как селективное лазерное спекание, прямое лазерное спекание металлов и селективное лазерное плавление) в 1980-х и 1990-х годах обычно имели собственные, отдельные названия. В то время вся металлообработка осуществлялась процессами, которые сейчас называют неаддитивными (литье, изготовление, штамповка и механическая обработка); хотя к этим технологиям широко применялась автоматизация (например, роботизированная сварка и обработка на станках с ЧПУ), идея инструмента или печатающей головки, перемещающейся в трехмерном рабочем пространстве и преобразующей массу сырья в нужную форму по заданному траектории, в металлообработке ассоциировалась исключительно с процессами удаления металла (а не его добавления), такими как фрезерование на станках с ЧПУ, электроэрозионная обработка с ЧПУ и многие другие. Однако автоматизированные методы добавления металла, которые впоследствии стали называть аддитивным производством, начали опровергать это представление. К середине 1990-х годов в Стэнфордском и Университете Карнеги — Меллона были разработаны новые методы нанесения материала, включая микролитье и распыление материалов. Материалы для создания поддерживающих и жертвенных структур также стали более распространены, что позволило создавать объекты новой геометрии. Изначально термин «3D-печать» относился к процессу послойного наложения порошка с использованием стандартных и специализированных струйных печатающих головок, разработанному в Массачусетском технологическом институте Эммануэлем Саксом в 1993 году и коммерциализированному компаниями Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation и Z Corporation. В 1993 году также была основана компания по производству струйных 3D-принтеров, первоначально названная Sanders Prototype, Inc., а затем Solidscape, представившая высокоточную систему изготовления полимерных струй с растворимыми поддерживающими структурами (классифицируемую как техника «точка за точкой»). В 2005 году пользователи начали разрабатывать и распространять чертежи 3D-принтеров, способных печатать около 70% собственных деталей, оригинальные чертежи которых были созданы Адрианом Бойером в Университете Бата в 2004 году, а проект получил название RepRap (Replicating Rapid Prototyper). Аналогично, в 2006 году Эван Малоун и Ход Липсон запустили проект Fab@Home, еще один проект, целью которого было создание недорогой и открытой системы изготовления, которую пользователи могли бы самостоятельно разрабатывать и предоставлять обратную связь, что делало проект весьма совместным. Большая часть программного обеспечения для 3D-печати, доступного в то время, была с открытым исходным кодом и, следовательно, быстро распространялась и улучшалась многими отдельными пользователями. В 2009 году истекли сроки действия патентов на процесс моделирования методом наплавления (FDM). Это открыло двери для новой волны стартапов, многие из которых были основаны основными участниками этих инициатив с открытым исходным кодом, с целью разработки коммерческих 3D-принтеров FDM, более доступных для широкой публики.

AM processes for metal sintering or melting (such as selective laser sintering, direct metal laser sintering, and selective laser melting) usually went by their own individual names in the 1980s and 1990s. At the time, all metalworking was done by processes that are now called non additive (casting, fabrication, stamping, and machining); although plenty of automation was applied to those technologies (such as by robot welding and CNC), the idea of a tool or head moving through a 3D work envelope transforming a mass of raw material into a desired shape with a toolpath was associated in metalworking only with processes that removed metal (rather than adding it), such as CNC milling, CNC EDM, and many others. However, the automated techniques that added metal, which would later be called additive manufacturing, were beginning to challenge that assumption. By the mid 1990s, new techniques for material deposition were developed at Stanford and Carnegie Mellon University, including microcasting and sprayed materials. Sacrificial and support materials had also become more common, enabling new object geometries. The term 3D printing originally referred to a powder bed process employing standard and custom inkjet print heads, developed at MIT by Emanuel Sachs in 1993 and commercialized by Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation, and Z Corporation. The year 1993 also saw the start of an inkjet 3D printer company initially named Sanders Prototype, Inc and later named Solidscape, introducing a high precision polymer jet fabrication system with soluble support structures, (categorized as a "dot on dot" technique). In 2005 users began to design and distribute plans for 3D printers that could print around 70% of their own parts, the original plans of which were designed by Adrian Bowyer at the University of Bath in 2004, with the name of the project being RepRap (Replicating Rapid prototyper). Similarly, in 2006 the Fab@Home project was started by Evan Malone and Hod Lipson, another project whose purpose was to design a low cost and open source fabrication system that users could develop on their own and post feedback on, making the project very collaborative. Much of the software for 3D printing available to the public at the time was open source, and as such was quickly distributed and improved upon by many individual users. In 2009 the Fused Deposition Modeling (FDM) printing process patents expired. This opened the door to a new wave of startup companies, many of which were established by major contributors of these open source initiatives, with the goal of many of them being to start developing commercial FDM 3D printers that were more accessible to the general public.

2010-е годы

По мере созревания различных аддитивных процессов стало очевидно, что вскоре удаление материала больше не будет единственным способом обработки металла, осуществляемым посредством перемещения инструмента или печатающей головки в трехмерном рабочем пространстве, преобразующим массу сырья в желаемую форму слой за слоем. 2010-е годы стали первым десятилетием, когда металлические детали, такие как кронштейны двигателей, начали использоваться в качестве конечных изделий. Спрос на топливоэффективные и легкопроизводимые реактивные двигатели никогда не был столь высок. Для крупных производителей оригинального оборудования, таких как Pratt & Whitney (PW) и General Electric (GE), это означает обращение к аддитивным технологиям (AM) для снижения затрат, уменьшения количества бракованных деталей, снижения веса двигателей для повышения топливной эффективности и поиска новых, сложных форм, которые были бы невозможны при использовании устаревших методов производства. Одним из примеров интеграции AM в аэрокосмическую отрасль стало событие 2016 года, когда Airbus получила первые двигатели LEAP от GE. Эти двигатели оснащены интегрированными 3D-печатными топливными форсунками, что позволило сократить количество деталей с 20 до 1, уменьшить вес на 25% и сократить время сборки. Топливная форсунка – идеальная отправная точка для аддитивного производства в реактивном двигателе, поскольку она позволяет оптимизировать конструкцию сложных внутренних элементов и является деталью, не подверженной высоким нагрузкам и вращению. Аналогично, в 2015 году PW поставила свои первые детали, изготовленные с помощью AM, в двигатель PurePower PW1500G для Bombardier. Придерживаясь деталей, не подверженных высоким нагрузкам и вращению, PW выбрала статоры компрессора и кронштейны синхронизирующих колец для первого внедрения этой новой технологии производства. Хотя AM пока играет небольшую роль в общем количестве деталей, используемых в производстве реактивных двигателей, возврат инвестиций уже заметен благодаря сокращению количества деталей, высокой скорости производства и "оптимизированной конструкции с точки зрения производительности и стоимости". По мере развития технологий некоторые авторы начали предполагать, что 3D-печать может способствовать устойчивому развитию в развивающемся мире. В 2012 году Filabot разработала систему замкнутого цикла переработки пластика, позволяющую любому 3D-принтеру FDM или FFF использовать более широкий спектр пластиковых материалов. В 2014 году Бенджамин С. Кук и Манос М. Тентцерис продемонстрировали первую многоматериальную, вертикально интегрированную платформу аддитивного производства печатной электроники (VIPRE), которая позволила создавать 3D-печатную функциональную электронику, работающую на частотах до 40 ГГц. С падением цен на принтеры люди, заинтересованные в этой технологии, получили больше доступа и свободы для реализации своих идей. По состоянию на 2014 год стоимость коммерческих принтеров оставалась высокой, превышая 2000 долларов. Изначально термин "3D-печать" относился к процессу, при котором связующий материал наносится на порошковый слой с помощью печатающих головок струйного принтера слой за слоем. В последнее время этот термин в разговорной речи стал использоваться для обозначения более широкого спектра технологий аддитивного производства, таких как аддитивное производство электронным лучом и селективное лазерное плавление. В США и международных технических стандартах для обозначения этого более широкого спектра используется официальный термин "аддитивное производство". Наиболее распространенным процессом 3D-печати (46% по состоянию на 2018 год) является метод экструзии материала, известный как моделирование методом наплавления (FDM). Хотя технология FDM была изобретена позже двух других популярных технологий – стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS) – FDM, как правило, значительно дешевле, что и обуславливает ее популярность.

As the various additive processes matured, it became clear that soon metal removal would no longer be the only metalworking process done through a tool or head moving through a 3D work envelope, transforming a mass of raw material into a desired shape layer by layer. The 2010s were the first decade in which metal end use parts such as engine brackets the demand for fuel efficient and easily produced jet engines has never been higher. For large OEMs (original equipment manufacturers) like Pratt and Whitney (PW) and General Electric (GE) this means looking towards AM as a way to reduce cost, reduce the number of nonconforming parts, reduce weight in the engines to increase fuel efficiency and find new, highly complex shapes that would not be feasible with the antiquated manufacturing methods. One example of AM integration with aerospace was in 2016 when Airbus delivered the first of GE's LEAP engines. This engine has integrated 3D printed fuel nozzles, reducing parts from 20 to 1, a 25% weight reduction, and reduced assembly times. A fuel nozzle is the perfect inroad for additive manufacturing in a jet engine since it allows for optimized design of the complex internals and it is a low stress, non rotating part. Similarly, in 2015, PW delivered their first AM parts in the PurePower PW1500G to Bombardier. Sticking to low stress, non rotating parts, PW selected the compressor stators and synch ring brackets to roll out this new manufacturing technology for the first time. While AM is still playing a small role in the total number of parts in the jet engine manufacturing process, the return on investment can already be seen by the reduction in parts, the rapid production capabilities and the "optimized design in terms of performance and cost". As technology matured, several authors began to speculate that 3D printing could aid in sustainable development in the developing world. In 2012, Filabot developed a system for closing the loop with plastic and allows for any FDM or FFF 3D printer to be able to print with a wider range of plastics. In 2014, Benjamin S. Cook and Manos M. Tentzeris demonstrated the first multi material, vertically integrated printed electronics additive manufacturing platform (VIPRE) which enabled 3D printing of functional electronics operating up to 40 GHz. As the price of printers started to drop people interested in this technology had more access and freedom to make what they wanted. As of 2014, the price for commercial printers was still high with the cost being over $2,000. The term "3D printing" originally referred to a process that deposits a binder material onto a powder bed with inkjet printer heads layer by layer. More recently, the popular vernacular has started using the term to encompass a wider variety of additive manufacturing techniques such as electron beam additive manufacturing and selective laser melting. The United States and global technical standards use the official term additive manufacturing for this broader sense. The most commonly used 3D printing process (46% as of 2018) is a material extrusion technique called fused deposition modeling, or FDM. While FDM technology was invented after the other two most popular technologies, stereolithography (SLA) and selective laser sintering (SLS), FDM is typically the most inexpensive of the three by a large margin, which lends to the popularity of the process.

2020-е годы

По состоянию на 2020 год 3D-принтеры достигли уровня качества и цены, который позволяет большинству людей войти в мир 3D-печати. В 2020 году принтеры достойного качества можно найти менее чем за 200 долларов США для машин начального уровня. Эти более доступные принтеры обычно используют технологию послойного наплавления (FDM). В ноябре 2021 года британский пациент по имени Стив Верзе получил первый в мире полностью напечатанный на 3D-принтере протез глаза в лондонской Офтальмологической больнице Мурфилдс. В апреле 2024 года крупнейший в мире 3D-принтер, "Фабрика будущего 1.0", был представлен в Университете штата Мэн. Он способен создавать объекты длиной 96 футов, или 29 метров.

Преимущества 3D-печати

Добавочное производство, или 3D-печать, стремительно набирает популярность в инженерном деле благодаря множеству преимуществ. Концепция 3D-печати заключается в свободе проектирования, индивидуализации, децентрализации и реализации процессов, которые ранее были невозможны при использовании альтернативных методов. К этим преимуществам относятся ускоренное прототипирование, снижение производственных издержек, повышение степени кастомизации продукции и улучшение её качества. Более того, возможности 3D-печати расширились за пределы традиционного производства, охватывая такие области, как легкие конструкции, ремонт и обслуживание, а также находя применение в протезировании, биопечати, пищевой промышленности, ракетостроении, дизайне, искусстве и системах возобновляемой энергетики. Технология 3D-печати может использоваться для производства систем накопления энергии, необходимых для устойчивого производства и распределения энергии. Еще одним достоинством 3D-печати является способность технологии создавать сложные геометрические формы с высокой точностью. Это особенно важно в микроволновой технике, где 3D-печать позволяет изготавливать компоненты с уникальными свойствами, которые сложно получить традиционными методами производства.

Моделирование

3D-модели для печати могут быть созданы с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD), 3D-сканера или обычной цифровой камеры и программного обеспечения для фотограмметрии. 3D-модели, созданные с использованием CAD, содержат относительно меньше ошибок, чем модели, полученные другими способами. Ошибки в 3D-моделях, предназначенных для печати, могут быть выявлены и устранены до начала печати. Ручной процесс моделирования при подготовке геометрических данных для 3D-компьютерной графики аналогичен занятиям пластическими искусствами, таким как скульптура. 3D-сканирование – это процесс сбора цифровых данных о форме и внешнем виде реального объекта и создания на их основе цифровой модели. CAD-модели могут быть сохранены в формате файла стереолитографии (STL) – де-факто стандартном формате файлов CAD для аддитивного производства, который хранит данные на основе триангуляции поверхности CAD-моделей. STL не оптимален для аддитивного производства, поскольку генерирует большие размеры файлов для топологически оптимизированных деталей и решетчатых структур из-за большого количества поверхностей. Для решения этой проблемы в 2011 году был представлен новый формат файла CAD – формат файла для аддитивного производства (AMF), который хранит информацию, используя криволинейную триангуляцию.

Завершение

Хотя разрешение и качество поверхности, обеспечиваемые принтером, достаточны для некоторых применений, методы постобработки и финишной обработки позволяют добиться таких преимуществ, как более высокая размерная точность, более гладкие поверхности и другие модификации, например, окраска. Качество поверхности 3D-печатной детали можно улучшить с помощью методов удаления материала, таких как шлифовка и дробеструйная обработка. При сглаживании деталей, требующих высокой размерной точности, важно учитывать объем удаляемого материала, например, при использовании растворителей на основе ацетона или подобных. Некоторые технологии аддитивного производства могут выиграть от отжига как этапа постобработки. Отжиг 3D-печатной детали обеспечивает лучшее соединение внутренних слоев за счет рекристаллизации материала. Это позволяет повысить механические свойства, такие как ударная вязкость, прочность на изгиб, ударопрочность и термостойкость. Аддитивно-субтрактивное гибридное производство (ASHM) – это метод, включающий в себя создание 3D-печатной детали с последующей механической обработкой (субтрактивным производством) для удаления материала. Механическая обработка может выполняться после каждого слоя или после завершения всей 3D-печати, в зависимости от требований к применению. Эти гибридные методы позволяют 3D-печатным деталям достигать лучшего качества поверхности и размерной точности. Слоистая структура традиционных процессов аддитивного производства приводит к эффекту "ступенчатости" на поверхностях деталей, которые изогнуты или наклонены относительно платформы построения. Этот эффект сильно зависит от высоты слоя, а также от ориентации поверхности детали в процессе построения. Этот эффект можно минимизировать, используя "переменную высоту слоя" или "адаптивную высоту слоя". Эти методы уменьшают высоту слоя в местах, где требуется более высокое качество. Окраска 3D-печатной детали предлагает широкий спектр отделок и внешнего вида, которые могут быть недостижимы при использовании большинства технологий 3D-печати. Процесс обычно включает в себя несколько этапов, таких как подготовка поверхности, грунтовка и покраска. Эти этапы помогают подготовить поверхность детали и обеспечить надежное сцепление краски. Некоторые технологии аддитивного производства позволяют использовать несколько материалов одновременно. Эти технологии позволяют печатать одновременно в нескольких цветах и цветовых комбинациях, создавая детали, которые не всегда требуют окраски. Некоторые методы печати требуют внутренних опор для поддержки нависающих элементов в процессе построения. Эти опоры необходимо механически удалить или растворить, если используется водорастворимый материал поддержки, такой как ПВА, после завершения печати. Некоторые коммерческие 3D-принтеры для работы с металлом включают в себя отделение металлической детали от металлического основания после нанесения. Новый процесс 3D-печати GMAW позволяет модифицировать поверхность основания для удаления алюминия или стали.

Though the printer produced resolution and surface finish are sufficient for some applications, post processing and finishing methods allow for benefits such as greater dimensional accuracy, smoother surfaces, and other modifications such as coloration. The surface finish of a 3D printed part can improved using subtractive methods such as sanding and bead blasting. When smoothing parts that require dimensional accuracy, it is important to take into account the volume of the material being removed. based on acetone or similar solvents. Some additive manufacturing techniques can benefit from annealing as a post processing step. Annealing a 3D printed part allows for better internal layer bonding due to recrystallization of the part. It allows for an increase in mechanical properties, some of which are fracture toughness, flexural strength, impact resistance, and heat resistance. Additive or subtractive hybrid manufacturing (ASHM) is a method that involves producing a 3D printed part and using machining (subtractive manufacturing) to remove material. Machining operations can be completed after each layer, or after the entire 3D print has been completed depending on the application requirements. These hybrid methods allow for 3D printed parts to achieve better surface finishes and dimensional accuracy. The layered structure of traditional additive manufacturing processes leads to a stair stepping effect on part surfaces that are curved or tilted with respect to the building platform. The effect strongly depends on the layer height used, as well as the orientation of a part surface inside the building process. This effect can be minimized using "variable layer heights" or "adaptive layer heights". These methods decrease the layer height in places where higher quality is needed. Painting a 3D printed part offers a range of finishes and appearances that may not be achievable through most 3D printing techniques. The process typically involves several steps, such as surface preparation, priming, and painting. These steps help prepare the surface of the part and ensuring the paint adheres properly. Some additive manufacturing techniques are capable of using multiple materials simultaneously. These techniques are able to print in multiple colors and color combinations simultaneously and can produce parts that may not necessarily require painting. Some printing techniques require internal supports to be built to support overhanging features during construction. These supports must be mechanically removed or dissolved if using a water soluble support material such as PVA after completing a print. Some commercial metal 3D printers involve cutting the metal component off the metal substrate after deposition. A new process for the GMAW 3D printing allows for substrate surface modifications to remove aluminium or steel.

Материалы

Традиционно 3D-печать фокусировалась на полимерах из-за простоты изготовления и обработки полимерных материалов. Однако метод быстро развивался, чтобы печатать не только различные полимеры, но и металлы и керамику, что делает 3D-печать универсальным вариантом для производства. Создание трехмерных физических моделей послойно – это современная концепция, которая «проистекает из постоянно растущей индустрии CAD, а точнее – из области твердотельного моделирования. До появления твердотельного моделирования в конце 1980-х годов трехмерные модели создавались с использованием каркасов и поверхностей». Но во всех случаях слои материалов контролируются принтером и свойствами материала. Трехмерный слой материала контролируется скоростью нанесения, установленной оператором принтера и сохраненной в компьютерном файле. Первым запатентованным материалом, который печатался, были чернила горячего расплава для печати шаблонов с использованием нагретого металлического сплава. Чарльз Халл подал первый патент 8 августа 1984 года на использование акриловой смолы, отверждаемой УФ-излучением, с использованием УФ-маскированного источника света в UVP Corp для создания простой модели. SLA 1 был первым продуктом SL, представленным компанией 3D Systems на выставке Autofact в Детройте в ноябре 1978 года. SLA 1 Beta был отправлен в январе 1988 года компаниям Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors и AMP. Первый серийный SLA 1 был отправлен в Precision Castparts в апреле 1988 года. Материал УФ-смолы быстро был заменен на эпоксидную смолу. В обоих случаях модели SLA 1 требовали УФ-отверждения после промывки в чистящем растворителе для удаления неотвержденной приграничной смолы. С каждой системой продавался аппарат для последующего отверждения (PCA). Ранние смольные принтеры требовали лезвия для нанесения свежей смолы на модель на каждом слое. Толщина слоя составляла 0,006 дюйма, а модель лазера HeCd SLA 1 имела мощность 12 Вт и перемещалась по поверхности со скоростью 30 дюймов в секунду. UVP была приобретена компанией 3D Systems в январе 1990 года. Анализ истории показывает, что в 1980-х годах для патентов в области быстрого прототипирования использовался ряд материалов (смолы, пластиковый порошок, пластиковая нить и пластиковые чернила горячего расплава). Маскированная УФ-смола также была представлена Ицхаком Померанцем из Cubital в Soldier 5600, лазерно-спеченными термопластичными порошками Карла Деккарда (DTM) и клеевой лазерно-вырезанной бумагой (LOM), сложенной для формирования объектов Майклом Фейгином до того, как 3D Systems сделала свое первое объявление. Скотт Крамп также работал с экструдированным «расплавленным» пластиковым филаментом (FDM), а капельное осаждение было запатентовано Уильямом Э. Мастерсом через неделю после патента Халла в 1984 году, но ему пришлось открыть термопластичные струйные чернила, представленные 3D-принтером Visual Impact Corporation в 1992 году, использующим струйные чернила от Howtek, Inc., прежде чем он создал BPM для выпуска своего собственного продукта 3D-принтера в 1994 году. Недостатком многих существующих технологий 3D-печати является то, что они позволяют печатать только один материал за раз, что ограничивает многие потенциальные приложения, требующие интеграции различных материалов в одном объекте. Многоматериальная 3D-печать решает эту проблему, позволяя изготавливать объекты со сложной и неоднородной структурой из различных материалов с использованием одного принтера. Здесь материал должен быть указан для каждого вокселя (или элемента пикселя 3D-печати) внутри конечного объема объекта. Однако процесс может быть сопряжен с осложнениями из-за изолированных и монолитных алгоритмов. Некоторые коммерческие устройства пытались решить эти проблемы, например, путем создания транслятора Spec2Fab, но прогресс все еще очень ограничен. Тем не менее, в медицинской промышленности была представлена концепция 3D-печати таблеток и вакцин. Благодаря этой новой концепции можно комбинировать несколько лекарств, что, как ожидается, снизит многие риски. С увеличением числа применений многоматериальной 3D-печати затраты на повседневную жизнь и развитие высоких технологий неизбежно снизятся. Также ведутся исследования металлографических материалов для 3D-печати. Классифицируя каждый материал, CIMP 3D может систематически выполнять 3D-печать с использованием нескольких материалов.

Traditionally, 3D printing focused on polymers for printing, due to the ease of manufacturing and handling polymeric materials. However, the method has rapidly evolved to not only print various polymers but also metals and ceramics, making 3D printing a versatile option for manufacturing. Layer by layer fabrication of three dimensional physical models is a modern concept that "stems from the ever growing CAD industry, more specifically the solid modeling side of CAD. Before solid modeling was introduced in the late 1980s, three dimensional models were created with wire frames and surfaces." but in all cases the layers of materials are controlled by the printer and the material properties. The three dimensional material layer is controlled by the deposition rate as set by the printer operator and stored in a computer file. The earliest printed patented material was a hot melt type ink for printing patterns using a heated metal alloy. Charles Hull filed the first patent on August 8, 1984, to use a UV cured acrylic resin using a UV masked light source at UVP Corp to build a simple model. The SLA 1 was the first SL product announced by 3D Systems at Autofact Exposition, Detroit, November 1978. The SLA 1 Beta shipped in Jan 1988 to Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors and AMP. The first production SLA 1 shipped to Precision Castparts in April 1988. The UV resin material changed over quickly to an epoxy based material resin. In both cases, SLA 1 models needed UV oven curing after being rinsed in a solvent cleaner to remove uncured boundary resin. A post cure apparatus (PCA) was sold with all systems. The early resin printers required a blade to move fresh resin over the model on each layer. The layer thickness was 0.006 inches and the HeCd laser model of the SLA 1 was 12 watts and swept across the surface at 30 in per second. UVP was acquired by 3D Systems in January 1990. A review of the history shows that a number of materials (resins, plastic powder, plastic filament and hot melt plastic ink) were used in the 1980s for patents in the rapid prototyping field. Masked lamp UV cured resin was also introduced by Cubital's Itzchak Pomerantz in the Soldier 5600, Carl Deckard's (DTM) laser sintered thermoplastic powders, and adhesive laser cut paper (LOM) stacked to form objects by Michael Feygin before 3D Systems made its first announcement. Scott Crump was also working with extruded "melted" plastic filament modeling (FDM) and drop deposition had been patented by William E Masters a week after Hull's patent in 1984, but he had to discover thermoplastic inkjets, introduced by Visual Impact Corporation 3D printer in 1992, using inkjets from Howtek, Inc., before he formed BPM to bring out his own 3D printer product in 1994. A drawback of many existing 3D printing technologies is that they only allow one material to be printed at a time, limiting many potential applications that require the integration of different materials in the same object. Multi material 3D printing solves this problem by allowing objects of complex and heterogeneous arrangements of materials to be manufactured using a single printer. Here, a material must be specified for each voxel (or 3D printing pixel element) inside the final object volume. The process can be fraught with complications, however, due to the isolated and monolithic algorithms. Some commercial devices have sought to solve these issues, such as building a Spec2Fab translator, but the progress is still very limited. Nonetheless, in the medical industry, a concept of 3D printed pills and vaccines has been presented. With this new concept, multiple medications can be combined, which is expected to decrease many risks. With more and more applications of multi material 3D printing, the costs of daily life and high technology development will become inevitably lower. Metallographic materials of 3D printing is also being researched. By classifying each material, CIMP 3D can systematically perform 3D printing with multiple materials.

4D печать

Использование 3D-печати и многоматериальных структур в аддитивном производстве позволило разработать и создать так называемую 4D-печать. 4D-печать – это процесс аддитивного производства, при котором напечатанный объект изменяет свою форму со временем, под воздействием температуры или других видов стимуляции. 4D-печать позволяет создавать динамические структуры с регулируемыми формами, свойствами или функциональностью. "Умные" материалы, реагирующие на внешние воздействия, создаваемые с помощью 4D-печати, могут быть активированы для реализации запрограммированных реакций, таких как самосборка, самовосстановление, многофункциональность, реконфигурация и изменение формы. Это позволяет осуществлять индивидуальную печать материалов с изменяемой формой и памятью формы. 4D-печать обладает потенциалом для поиска новых областей применения материалов (пластиков, композитов, металлов и т.д.) и может привести к созданию новых сплавов и композитов, которые ранее были невозможны в производстве. Универсальность этой технологии и материалов может способствовать прогрессу в различных отраслях промышленности, включая космическую, коммерческую и медицинскую. Для того чтобы процесс 4D-печати стал более практичным в этих отраслях, необходимо повысить его повторяемость, точность и расширить диапазон используемых материалов. Чтобы стать жизнеспособным вариантом промышленного производства, 4D-печати необходимо преодолеть ряд проблем. Одной из проблем является то, что микроструктура этих "умных" материалов, полученных методом печати, должна быть сопоставима или превосходить качество деталей, изготовленных традиционными методами обработки. Необходимо разработать новые, настраиваемые материалы, способные последовательно реагировать на различные внешние стимулы и изменять форму в соответствии с заданными параметрами. Также требуется разработка нового программного обеспечения для различных технологий 4D-печати, которое учитывало бы базовый "умный" материал, технологию печати, а также структурные и геометрические требования к конструкции.

Сплав порошкового слоя

Методы послойного наплавления порошком, или PBF, включают в себя несколько процессов, таких как DMLS, SLS, SLM, MJF и EBM. Технологии послойного наплавления порошком могут применяться с широким спектром материалов, а их гибкость позволяет создавать геометрически сложные конструкции, что делает их подходящим выбором для многих проектов 3D-печати. К этим технологиям относятся селективное лазерное спекание, используемое как с металлами, так и с полимерами, а также прямое лазерное спекание металлов.

Сброс связующего вещества

Технология 3D-печати с использованием связующего вещества предполагает нанесение связующего агента на слои материала, как правило, порошкообразного, после чего полученная "зеленая" заготовка может быть отверждена и даже спечена. Материалы могут быть керамическими, металлическими или пластиковыми. Этот метод также известен как струйная 3D-печать. Для создания детали принтер формирует модель с помощью печатающей головки, перемещающейся над платформой для распределения или нанесения чередующихся слоев порошка (гипса и смол) и связующего вещества. Большинство современных принтеров с использованием связующего вещества также отверждают каждый слой связующего. Эти шаги повторяются до тех пор, пока не будут напечатаны все слои. Эту "зеленую" заготовку обычно подвергают термообработке в печи для удаления большей части связующего вещества, прежде чем спечь в муфельной печи по определенному температурному режиму, зависящему от используемого материала. Эта технология позволяет печатать полноцветные прототипы, нависающие элементы и детали из эластомеров. Прочность деталей, напечатанных из порошка, можно повысить путем пропитки пространства между частицами порошка или спеченной матрицей другими совместимыми материалами, в зависимости от материала порошка, такими как воск, термореактивный полимер или даже бронза.

Стереолитография

Другие методы отверждают жидкие материалы с использованием различных сложных технологий, таких как стереолитография. Фотополимеризация в основном используется в стереолитографии для создания твердой детали из жидкости. Системы струйной печати, такие как система Objet PolyJet, распыляют фотополимерные материалы на платформу сборки ультратонкими слоями (от 16 до 30 мкм) до завершения детали. Каждый слой фотополимера отверждается ультрафиолетовым светом сразу после нанесения, что позволяет получить полностью отвержденные модели, с которыми можно сразу работать и использовать, без дополнительного отверждения. Сверхмалые элементы могут быть изготовлены с помощью технологии 3D-микропроизводства, используемой в мультифотонной фотополимеризации. Благодаря нелинейной природе фотовозбуждения гель отверждается в твердое тело только в тех местах, куда был сфокусирован лазер, а оставшийся гель затем удаляется. Легко изготавливаются элементы размером менее 100 нм, а также сложные структуры с подвижными и соединенными между собой частями. В технологии направленного энергетического осаждения с подачей порошка высокомощный лазер используется для расплавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Процесс направленного энергетического осаждения с использованием порошка аналогичен селективному лазерному спеканию, но металлический порошок наносится только в тех местах, где в данный момент добавляется материал к детали.

Компьютерная осевая литография

Компьютерная осевая литография – это метод 3D-печати, основанный на данных компьютерной томографии для создания изделий из фотополимерной смолы. Он был разработан в результате сотрудничества Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. В отличие от других методов 3D-печати, он не формирует модели путем послойного наложения материала, как в технологии моделирования методом наплавления и стереолитографии, а создает объекты, используя серию двухмерных изображений, проецируемых на цилиндр со смолой. Изначально процесс был разработан Адрианом Бойером и впоследствии усовершенствован командой German RepRap. Техника программируемого оснащения использует 3D-печать для создания временной формы, которая затем заполняется методом традиционного литья под давлением и сразу же растворяется.

Ламинация

В некоторых принтерах в качестве материала для создания объектов может использоваться бумага, что позволяет снизить стоимость печати. В 1990-х годах некоторые компании предлагали принтеры, которые вырезали поперечные сечения из специальной бумаги с клеевым покрытием с помощью углекислотного лазера, а затем ламинировали их вместе. В 2005 году компания Mcor Technologies Ltd разработала другой метод, использующий обычные листы офисной бумаги, режущий инструмент из карбида вольфрама для вырезания формы, и селективное нанесение клея и давление для соединения прототипа.

Порошкообразование с использованием направленной энергии

При порошковой подаче с направленной энергией (также известном как лазерное металлическое осаждение), высокомощный лазер используется для расплавления металлического порошка, подаваемого в фокус лазерного луча. Лазерный луч обычно проходит через центр осадительной головки и фокусируется на небольшом участке одной или несколькими линзами. Построение детали происходит на координатном столе X-Y, который перемещается по траектории, созданной из цифровой модели для послойного изготовления объекта. Осадительная головка поднимается вертикально по мере завершения каждого слоя. Некоторые системы используют даже 5-осевые или 6-осевые системы (например, шарнирные манипуляторы), способные подавать материал на подложку (печатный стол или существующую деталь) практически без ограничений по доступу. Металлический порошок подается и распределяется по окружности головки или может разделяться внутренним коллектором и подаваться через сопла, расположенные в различных конфигурациях вокруг осадительной головки. Часто используется герметичная камера, заполненная инертным газом, или локальная инертная газовая защита (иногда в комбинации), для защиты расплава от атмосферного кислорода, ограничения окисления и более точного контроля свойств материала. Процесс порошковой подачи с направленной энергией аналогичен селективному лазерному спеканию, но металлический порошок подается только в ту область, где в данный момент добавляется материал к детали. Лазерный луч нагревает и создает "расплавленную ванну" на подложке, в которую почти одновременно вводится новый порошок. Процесс поддерживает широкий спектр материалов, включая титан, нержавеющую сталь, алюминий, вольфрам и другие специальные материалы, а также композиты и функционально-градиентные материалы. Процесс позволяет не только полностью создавать новые металлические детали, но и добавлять материал к существующим деталям, например, для нанесения покрытий, ремонта и гибридного производства. Лазерное формирование точной формы (LENS), разработанное Sandia National Labs, является одним из примеров процесса порошковой подачи с направленной энергией для 3D-печати или восстановления металлических деталей.

In powder fed directed energy deposition (also known as laser metal deposition), a high power laser is used to melt metal powder supplied to the focus of the laser beam. The laser beam typically travels through the center of the deposition head and is focused on a small spot by one or more lenses. The build occurs on an X Y table which is driven by a tool path created from a digital model to fabricate an object layer by layer. The deposition head is moved up vertically as each layer is completed. Some systems even make use of 5 axis or 6 axis systems (i. e. articulated arms) capable of delivering material on the substrate (a printing bed, or a pre existing part) with few to no spatial access restrictions. Metal powder is delivered and distributed around the circumference of the head or can be split by an internal manifold and delivered through nozzles arranged in various configurations around the deposition head. A hermetically sealed chamber filled with inert gas or a local inert shroud gas (sometimes both combined) is often used to shield the melt pool from atmospheric oxygen, to limit oxidation and to better control the material properties. The powder fed directed energy process is similar to selective laser sintering, but the metal powder is projected only where the material is being added to the part at that moment. The laser beam is used to heat up and create a "melt pool" on the substrate, in which the new powder is injected quasi simultaneously. The process supports a wide range of materials including titanium, stainless steel, aluminium, tungsten, and other specialty materials as well as composites and functionally graded materials. The process can not only fully build new metal parts but can also add material to existing parts for example for coatings, repair, and hybrid manufacturing applications. Laser engineered net shaping (LENS), which was developed by Sandia National Labs, is one example of the powder fed directed energy deposition process for 3D printing or restoring metal parts.

Процессы изготовления металлической проволоки

Системы подачи проволоки на основе лазера, такие как лазерная металлическая наплавка проволокой (LMD w), подают проволоку через сопло, которое расплавляется лазером с использованием защиты инертным газом либо в открытой среде (газ, окружающий лазер), либо в герметичной камере. Свободная формовка электронным лучом использует источник тепла в виде электронного луча внутри вакуумной камеры. Также возможно использование обычной газометаллической сварки, установленной на 3D-платформе, для 3D-печати металлов, таких как сталь, бронза и алюминий. Низкозатратные 3D-принтеры с открытым исходным кодом типа RepRap были оснащены датчиками на базе Arduino и продемонстрировали приемлемые металлургические свойства при использовании обычной сварочной проволоки в качестве исходного материала.

Селективное осаждение порошка (SPD)

При селективном осаждении порошками порошки для изготовления детали и поддерживающие порошки избирательно осаждаются в тигель таким образом, чтобы порошок для изготовления детали принял форму требуемого объекта, а поддерживающие порошки заполнили оставшийся объем в тигле. Затем наносится пропиточный материал, который контактирует с порошком для изготовления детали. После этого тигель нагревают в печи до температуры выше температуры плавления пропиточного материала, но ниже температуры плавления порошков. Когда пропиточный материал плавится, он пропитывает порошок для изготовления детали, но не пропитывает поддерживающие порошки, поскольку они выбраны таким образом, чтобы не смачиваться пропиточным материалом. Если при температуре нагрева атомы пропиточного материала и порошка для изготовления детали способны к взаимной диффузии, как, например, в случае медного порошка и цинкового пропиточного материала, то полученный материал будет однородной смесью этих атомов, то есть бронзой. Однако, если атомы не способны к взаимной диффузии, как в случае вольфрама и меди при 1100 °C, то полученный материал будет композитом. Для предотвращения деформации формы температура нагрева должна быть ниже температуры солидуса полученного сплава.

Криогенная 3D-печать

Криогенная 3D-печать – это совокупность технологий, формирующих твердые структуры путем замораживания жидких материалов в процессе их нанесения. Каждый наносимый жидкий слой охлаждается низкой температурой предыдущего слоя и печатной среды, что приводит к его затвердеванию. В отличие от других методов 3D-печати, криогенная 3D-печать требует контролируемой среды. Температура окружающей среды должна быть ниже температуры замерзания материала для обеспечения сохранения твердого состояния структуры в процессе изготовления, а влажность должна оставаться низкой, чтобы предотвратить образование инея между нанесением слоев. Обычно используемые материалы включают воду и водные растворы, такие как рассолы, суспензии и гидрогели. К технологиям криогенной 3D-печати относятся прототипирование методом быстрого замораживания (RFP) и экструзионное изготовление в замороженном состоянии (FEF).

Приложения

3D-печать или аддитивное производство применяется в производстве, медицине, промышленности и социокультурной сфере (например, в области культурного наследия) для создания успешных коммерческих технологий. В последнее время 3D-печать также используется в гуманитарном секторе и сфере развития для производства широкого спектра медицинских изделий, протезов, запасных частей и ремонта оборудования. Первым применением аддитивного производства стало использование в инструментальном производстве. Например, быстрое прототипирование было одним из первых аддитивных методов, целью которого было сокращение сроков и стоимости разработки прототипов новых деталей и устройств, что ранее осуществлялось только методами вычитания материала, такими как фрезерование с ЧПУ, токарная обработка и прецизионная шлифовка. NASA рассматривает возможность использования этой технологии для создания продуктов питания с помощью 3D-печати, чтобы уменьшить пищевые отходы и производить продукты, разработанные с учетом диетических потребностей астронавтов. В 2018 году итальянский биоинженер Джузеппе Скионти разработал технологию, позволяющую производить волокнистые растительные аналоги мяса с использованием специализированного 3D-биопринтера, имитирующие текстуру и питательную ценность мяса.

Мода

3D-печать проникла в мир одежды, и дизайнеры моды экспериментируют с бикини, обувью и платьями, созданными с помощью 3D-печати. В 2014 году Local Motors представила Strati – функционирующий автомобиль, полностью напечатанный на 3D-принтере из пластика ABS и углеродного волокна, за исключением силовой установки. В мае 2015 года Airbus объявила, что в ее новом Airbus A350 XWB используется более 1000 компонентов, изготовленных методом 3D-печати. В 2015 году истребитель Eurofighter Typhoon ВВС Великобритании совершил полет с использованием напечатанных деталей. ВВС США приступили к работе с 3D-принтерами, а ВВС Израиля также приобрели 3D-принтер для печати запасных частей. В 2017 году GE Aviation сообщила, что разработала двигатель для вертолета, состоящий из 16 деталей вместо 900, используя технологию аддитивного производства, что может существенно упростить цепочки поставок.

Огнестрельное оружие

Влияние аддитивных технологий на огнестрельное оружие имеет два аспекта: новые методы производства для устоявшихся компаний и новые возможности для самостоятельного изготовления огнестрельного оружия. В 2012 году американская группа Defense Distributed обнародовала планы по созданию рабочего пластикового огнестрельного оружия, напечатанного на 3D-принтере, "которое можно скачать и воспроизвести любому, у кого есть 3D-принтер".

Здоровье

Хирургическое применение 3D-печати в терапии началось в середине 1990-х годов с анатомического моделирования для планирования реконструктивной хирургии костей. Имплантаты, изготовленные с учетом индивидуальных особенностей пациента, стали естественным продолжением этой работы, что привело к созданию по-настоящему персонализированных имплантатов, идеально подходящих конкретному человеку. Виртуальное планирование операций и навигация с использованием 3D-печатных, персонализированных инструментов успешно применяются во многих областях хирургии, включая тотальное эндопротезирование суставов и реконструкцию черепно-лицевой области. Разработано в Мичиганском университете. Использование аддитивных технологий для серийного производства ортопедических имплантатов (металлических) также растет благодаря возможности эффективно создавать пористые структуры поверхности, способствующие остеоинтеграции. Ожидается, что слухопротезирование и стоматология станут крупнейшими областями будущего развития с применением технологии 3D-печати. В 2018 году технология 3D-печати впервые была использована для создания матрицы для иммобилизации клеток в процессе ферментации. В качестве модельного исследования было выбрано производство пропионовой кислоты пропионибактерией acidipropionici, иммобилизованной на 3D-печатных нейлоновых гранулах. Было показано, что эти 3D-печатные гранулы способны обеспечивать высокую плотность прикрепления клеток и продукцию пропионовой кислоты, что может быть адаптировано к другим биопроцессам ферментации. 3D-печать также используется исследователями в фармацевтической области. В последние годы наблюдается значительный рост академического интереса к доставке лекарственных средств с использованием методов аддитивного производства. Эта технология предлагает уникальный подход к использованию материалов в новых лекарственных формах. Аддитивное производство позволяет использовать материалы и соединения при разработке лекарственных форм способами, недоступными при использовании традиционных фармацевтических технологий, таких как таблетирование, литье и т.д. Более того, одним из ключевых преимуществ 3D-печати, особенно при моделировании методом послойного наплавления (FDM), является возможность персонализации лекарственной формы, что позволяет учитывать специфические потребности пациента. В ближайшем будущем ожидается, что 3D-принтеры появятся в больницах и аптеках для обеспечения производства персонализированных лекарственных форм по запросу. 3D-печать также находит применение в производстве медицинского оборудования. Во время пандемии COVID-19 3D-принтеры использовались для восполнения дефицита средств индивидуальной защиты, благодаря чему волонтеры с помощью собственных принтеров производили различные элементы средств индивидуальной защиты (например, каркасы для защитных экранов).

Surgical uses of 3D printing centric therapies began in the mid 1990s with anatomical modeling for bony reconstructive surgery planning. Patient matched implants were a natural extension of this work, leading to truly personalized implants that fit one unique individual. Virtual planning of surgery and guidance using 3D printed, personalized instruments have been applied to many areas of surgery including total joint replacement and craniomaxillofacial reconstruction with great success. developed at the University of Michigan. The use of additive manufacturing for serialized production of orthopedic implants (metals) is also increasing due to the ability to efficiently create porous surface structures that facilitate osseointegration. The hearing aid and dental industries are expected to be the biggest areas of future development using custom 3D printing technology. In 2018, 3D printing technology was used for the first time to create a matrix for cell immobilization in fermentation. Propionic acid production by Propionibacterium acidipropionici immobilized on 3D printed nylon beads was chosen as a model study. It was shown that those 3D printed beads were capable of promoting high density cell attachment and propionic acid production, which could be adapted to other fermentation bioprocesses. 3D printing has also been employed by researchers in the pharmaceutical field. During the last few years, there has been a surge in academic interest regarding drug delivery with the aid of AM techniques. This technology offers a unique way for materials to be utilized in novel formulations. AM manufacturing allows for the usage of materials and compounds in the development of formulations, in ways that are not possible with conventional/traditional techniques in the pharmaceutical field, e. g. tableting, cast molding, etc. Moreover, one of the major advantages of 3D printing, especially in the case of fused deposition modelling (FDM), is the personalization of the dosage form that can be achieved, thus, targeting the patient's specific needs. In the not so distant future, 3D printers are expected to reach hospitals and pharmacies in order to provide on demand production of personalized formulations according to the patients' needs. 3D printing has also been used for medical equipment. During the COVID 19 pandemic 3D printers were used to supplement the strained supply of PPE through volunteers using their personally owned printers to produce various pieces of personal protective equipment (i. e. frames for face shields).

Образование

3D-печать, и 3D-принтеры с открытым исходным кодом, в частности, – это новейшие технологии, активно внедряющиеся в образовательный процесс. Высшее образование стало основным потребителем настольных и профессиональных 3D-принтеров, что эксперты отрасли в целом считают позитивным сигналом. Некоторые авторы утверждают, что 3D-принтеры открывают беспрецедентную "революцию" в STEM-образовании. Подтверждением этих утверждений служит как возможность быстрого и недорогого прототипирования студентами в классе, так и создание доступного, но качественного научного оборудования на основе открытых аппаратных разработок, что способствует формированию лабораторий с открытым исходным кодом. В будущем 3D-печать может быть использована для создания научного оборудования с открытым исходным кодом. Многие европейские и североамериканские музеи приобрели 3D-принтеры и активно воссоздают утраченные фрагменты своих реликвий и археологических памятников, например, Тиванаку в Боливии. Музей Метрополитен и Британский музей начали использовать свои 3D-принтеры для изготовления музейных сувениров, которые продаются в сувенирных магазинах. Другие музеи, такие как Национальный музей военной истории и Варненский исторический музей, пошли еще дальше и продают через онлайн-платформу Threeding цифровые модели своих артефактов, созданные с помощью 3D-сканеров Artec, в формате, пригодном для 3D-печати, позволяя каждому распечатать их дома. Морешин Аллаяри, американская художница иранского происхождения, рассматривает использование ею процессов 3D-скульптинга для восстановления иранского культурного наследия как форму феминистского активизма. Аллаяри использует программное обеспечение для 3D-моделирования, чтобы воссоздать ряд культурных артефактов, уничтоженных боевиками ИГИЛ в 2014 году.

Репликация исторических зданий

[[Изображение:Stoofbrug JUL2021 3Dbridge. jpg|thumb|Мост Стофбруг в Амстердаме, первый в мире 3D-печатный металлический мост. В 2021 году Парсинеджад и др. провели всестороннее сравнение метода ручной съемки для 3D-реконструкции, готовой к 3D-печати, с цифровой записью (использованием метода фотограмметрии). Полимерная чернила используется для создания слоев конструкции, а серебряный полимер – для создания дорожек и отверстий, обеспечивающих прохождение электричества. Производство современных печатных плат может быть трудоемким процессом, зависящим от сложности дизайна. Необходимые материалы собираются и отправляются на внутреннюю обработку слоев, где печатаются изображения, проявляются и травятся. Сердечники обычно перфорируются для добавления инструмента для ламинирования. Затем сердечники подготавливаются к ламинированию. Пакет, то есть структура печатной платы, собирается и отправляется на ламинирование, где слои соединяются. Затем платы измеряются и сверлятся. Многие этапы могут отличаться от этого, однако для простых конструкций материал проходит процесс металлизации для покрытия отверстий и поверхности. Затем внешний слой печатается, проявляется и травится. После формирования изображения материал покрывается маской для пайки. Затем добавляется маркировка для последующей идентификации компонентов. После этого наносится финишное покрытие. Платы вырезаются из панелей в отдельные или массивные формы и затем проходят электрическое тестирование. Помимо документации, подтверждающей соответствие плат спецификациям, они упаковываются и отправляются. Преимущества 3D-печати заключаются в том, что конечный контур определяется изначально, не требуется формирование изображения, перфорация или ламинирование, а электрические соединения создаются серебряным полимером, что исключает сверление и металлизацию. Объем документации также значительно сократится из-за меньшего количества материалов, необходимых для изготовления печатной платы. Сложные конструкции, на изготовление которых традиционными методами могут уйти недели, можно напечатать на 3D-принтере, значительно сократив время производства.

[[Image:Stoofbrug JUL2021 3Dbridge. jpg|thumb|The in Amsterdam, the world's first 3D printed metal bridge In 2021, Parsinejad et al. comprehensively compared the hand surveying method for 3D reconstruction ready for 3D printing with digital recording (adoption of photogrammetry method). Polymer ink is used to create the layers of the build while silver polymer is used for creating the traces and holes used to allow electricity to flow. Current circuit board manufacturing can be a tedious process depending on the design. Specified materials are gathered and sent into inner layer processing where images are printed, developed and etched. The etch cores are typically punched to add lamination tooling. The cores are then prepared for lamination. The stack up, the buildup of a circuit board, is built and sent into lamination where the layers are bonded. The boards are then measured and drilled. Many steps may differ from this stage however for simple designs, the material goes through a plating process to plate the holes and surface. The outer image is then printed, developed and etched. After the image is defined, the material must get coated with a solder mask for later soldering. Nomenclature is then added so components can be identified later. Then the surface finish is added. The boards are routed out of panel form into their singular or array form and then electrically tested. Aside from the paperwork that must be completed which proves the boards meet specifications, the boards are then packed and shipped. The benefits of 3D printing would be that the final outline is defined from the beginning, no imaging, punching or lamination is required and electrical connections are made with the silver polymer which eliminates drilling and plating. The final paperwork would also be greatly reduced due to the lack of materials required to build the circuit board. Complex designs which may take weeks to complete through normal processing can be 3D printed, greatly reducing manufacturing time.

Любители

В 2005 году научные журналы начали публиковать материалы о возможных художественных применениях технологии 3D-печати. К 2017 году 3D-печать стала доступна потребителям, выходя за рамки круга хоббистов и энтузиастов. Ряд проектов и компаний работают над созданием доступных 3D-принтеров для домашнего использования. Значительная часть этих разработок ориентирована на сообщества DIY, мейкеров, энтузиастов и ранних последователей, а также имеет связи с академическими и хакерскими сообществами. Благодаря снижению цен и повышению качества, по состоянию на 2019 год, по оценкам, 2 миллиона человек по всему миру приобрели 3D-принтер для личного использования в качестве хобби.

Интеллектуальная собственность

3D-печать существует уже несколько десятилетий в определенных производственных отраслях, где применимы различные правовые режимы, включая патенты, права на промышленный образец, авторские права и товарные знаки. Однако судебной практики, разъясняющей применение этих законов в случае широкого распространения 3D-принтеров и начала производства изделий физическими лицами или любительскими сообществами для личного использования, некоммерческого распространения или продажи, пока недостаточно. Любой из указанных правовых режимов может запрещать распространение конструкций, используемых для 3D-печати, или распространение и продажу напечатанных изделий. Для получения разрешения на такие действия, если речь идет об охраняемой интеллектуальной собственности, необходимо обратиться к правообладателю за лицензией, которая может быть предоставлена на определенных условиях и за определенную плату. Однако многие патентные, дизайнерские и авторские законы содержат стандартное ограничение или исключение для «частного» или «некоммерческого» использования изобретений, дизайнов или произведений искусства, защищенных интеллектуальной собственностью (ИС). Это стандартное ограничение или исключение может выводить такое частное, некоммерческое использование за пределы действия прав ИС. Патенты охватывают изобретения, включая процессы, машины, методы производства и состав материалов, и имеют ограниченный срок действия, который варьируется в зависимости от страны, но обычно составляет 20 лет с даты подачи заявки. Следовательно, если какой-либо тип колеса запатентован, его печать, использование или продажа могут являться нарушением патентных прав. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) имеет юрисдикцию в отношении такого производства, поскольку все детали самолетов должны быть изготовлены в соответствии с одобрением FAA на производство или в рамках других нормативных категорий FAA. В декабре 2016 года FAA одобрило производство 3D-печатного топливного сопла для двигателя GE LEAP. Эксперт в области авиационного права Джейсон Дикштейн предположил, что аддитивное производство является лишь методом производства и должно регулироваться как любой другой метод производства. Он предложил, чтобы FAA сосредоточилось на разработке руководств по соблюдению нормативных требований, а не на изменении существующих правил, и что действующие правила и руководства позволяют компании «разработать надежную систему контроля качества, которая адекватно отвечает нормативным требованиям к обеспечению качества».

3D printing has existed for decades within certain manufacturing industries where many legal regimes, including patents, industrial design rights, copyrights, and trademarks may apply. However, there is not much jurisprudence to say how these laws will apply if 3D printers become mainstream and individuals or hobbyist communities begin manufacturing items for personal use, for non profit distribution, or for sale. Any of the mentioned legal regimes may prohibit the distribution of the designs used in 3D printing or the distribution or sale of the printed item. To be allowed to do these things, where active intellectual property was involved, a person would have to contact the owner and ask for a licence, which may come with conditions and a price. However, many patent, design and copyright laws contain a standard limitation or exception for "private" or "non commercial" use of inventions, designs or works of art protected under intellectual property (IP). That standard limitation or exception may leave such private, non commercial uses outside the scope of IP rights. Patents cover inventions including processes, machines, manufacturing, and compositions of matter and have a finite duration which varies between countries, but generally 20 years from the date of application. Therefore, if a type of wheel is patented, printing, using, or selling such a wheel could be an infringement of the patent. The FAA has jurisdiction over such fabrication because all aircraft parts must be made under FAA production approval or under other FAA regulatory categories. In December 2016, the FAA approved the production of a 3D printed fuel nozzle for the GE LEAP engine. Aviation attorney Jason Dickstein has suggested that additive manufacturing is merely a production method, and should be regulated like any other production method. He has suggested that the FAA's focus should be on guidance to explain compliance, rather than on changing the existing rules, and that existing regulations and guidance permit a company "to develop a robust quality system that adequately reflects regulatory needs for quality assurance".

Уровни шума

Уровень шума измеряется в децибелах (дБ) и может значительно варьироваться в домашних принтерах от 15 дБ до 75 дБ. Основными источниками шума в принтерах, работающих с филаментом, являются вентиляторы, двигатели и подшипники, а в принтерах, работающих со смолой, обычно за большую часть шума отвечают вентиляторы. Утверждалось, что 3D-печать знаменует начало третьей промышленной революции, сменившей конвейерную сборку, которая доминировала в производстве начиная с конца XIX века.

Социальные изменения

С 1950-х годов многие писатели и общественные деятели подробно рассуждали о социальных и культурных изменениях, которые могут произойти с появлением коммерчески доступных технологий аддитивного производства.

Изменения в окружающей среде

Рост аддитивного производства может оказать значительное влияние на окружающую среду. В отличие от традиционного производства, где детали вырезаются из больших блоков материала, аддитивное производство создает изделия слой за слоем, печатая только необходимые части, что значительно снижает расход материала и, следовательно, затраты энергии на производство сырья. Создавая только необходимые структурные элементы изделий, аддитивное производство также может внести существенный вклад в снижение веса, уменьшая энергопотребление и выбросы парниковых газов транспортных средств и других видов транспорта. Например, исследование компонента самолета, изготовленного с использованием аддитивного производства, показало, что его использование позволяет сэкономить 63% энергии и сократить выбросы углекислого газа на протяжении всего срока службы изделия. Кроме того, предыдущие оценки жизненного цикла аддитивного производства показали, что внедрение этой технологии может еще больше снизить выбросы углекислого газа, поскольку 3D-печать обеспечивает локализованное производство, и продукция не требует транспортировки на большие расстояния до конечного потребителя. Однако дальнейшее внедрение аддитивного производства сопряжено с некоторыми экологическими проблемами. Несмотря на то, что аддитивное производство сокращает отходы, образующиеся при обработке резанием, до 90%, сам процесс аддитивного производства создает другие виды отходов, такие как неперерабатываемые металлические порошки. Аддитивное производство пока не достигло своего теоретического потенциала материальной эффективности в 97%, но может приблизиться к нему по мере повышения производительности технологии. Некоторые крупные FDM-принтеры, работающие с гранулами полиэтилена высокой плотности (HDPE), также могут использовать достаточно чистый переработанный материал, например, измельченные пластиковые бутылки. Кроме того, эти принтеры могут использовать измельченный материал, полученный из бракованных изделий или неудачных прототипов, тем самым снижая общие потери проекта и затраты на обработку и хранение материалов. Эта концепция была изучена в RecycleBot.

The growth of additive manufacturing could have a large impact on the environment. As opposed to traditional manufacturing, for instance, in which pieces are cut from larger blocks of material, additive manufacturing creates products layer by layer and prints only relevant parts, wasting much less material and thus wasting less energy in producing the raw materials needed. By making only the bare structural necessities of products, additive manufacturing also could make a profound contribution to lightweighting, reducing the energy consumption and greenhouse gas emissions of vehicles and other forms of transportation. A case study on an airplane component made using additive manufacturing, for example, found that the component's use saves 63% of relevant energy and carbon dioxide emissions over the course of the product's lifetime. In addition, previous life cycle assessment of additive manufacturing has estimated that adopting the technology could further lower carbon dioxide emissions since 3D printing creates localized production, and products would not need to be transported long distances to reach their final destination. Continuing to adopt additive manufacturing does pose some environmental downsides, however. Despite additive manufacturing reducing waste from the subtractive manufacturing process by up to 90%, the additive manufacturing process creates other forms of waste such as non recyclable material (metal) powders. Additive manufacturing has not yet reached its theoretical material efficiency potential of 97%, but it may get closer as the technology continues to increase productivity. Some large FDM printers that melt high density polyethylene (HDPE) pellets may also accept sufficiently clean recycled material such as chipped milk bottles. In addition, these printers can use shredded material coming from faulty builds or unsuccessful prototype versions thus reducing overall project wastage and materials handling and storage. The concept has been explored in the RecycleBot.