3D Spausdinimas

3D spausdinimas arba adityvus gaminimas (angl. additive manufacturing) yra trimačio vientiso, praktiškai bet kokios formos objekto gaminimo procesas iš skaitmeninio modelio. 3D spausdinimas yra pasiektas naudojant adityvų procesą, kai skirtingomis formomis sudedami sluoksniai. 3D spausdinimas skiriasi nuo tradicinių apdorojimo technikų, kurios dažniausiai priklauso nuo medžiagos pašalinimo naudojant pjovimo ar atėmimo procesus.

3D spausdintuvas yra limituota industrinio roboto rūšis, kuri, kompiuteriui paliepus, sugeba atlikti papildomas funkcijas.

Nors 3D spausdinimo technologija atsirado jau XX a. 9-ajame dešimtmetyje, tik XXI a. 2-ajame dešimtmetyje tokie spausdintuvai tapo plačiai naudojami komerciniais tikslais.  Pirmą 3D spausdintuvą sukūrė Chuck Hull iš bendrovės „3D Systems Corp“ 1984 metais.  Nuo XXI amžiaus pradžios šių mašinų pardavimų kiekis sparčiai didėjo, o jų kaina krito. Anot „Wohlers Associates“ konsultavimo firmos, 3D spausdintuvai bei su jais susijusios paslaugos 2012 metais buvo verti 2,2 mlrd. JAV dolerių pasauliniu mastu, nuo 2011 metų jų vertė pakilo 29 procentais.

Terminologija

Terminas adityvi gamyba apibrėžia technologijas, kurių pagalba kuriami objektai naudojant nuoseklaus sluoksniavimo techniką. Šiuo būdu pagaminti produktai gali būti taikomi įvairiuose gamybos cikluose, tiek priešgamybinėje (t. y. greitų prototipų) plataus masto (greitos gamybos) produkcijoje, tiek mechaninio apdirbimo ar pogamybinio apdirbimo sferoje.

Gamyboje, ypatingai mašininio apdirbimo sferoje, šalinimo metodai siejami su tradiciškesniais metodais. Terminas „atėmimo gamyba“ yra neseniai išvystytas retronimas, siekiant atskirti jį nuo naujųjų adityvių gaminimo technikų. Nors gamyba įtraukė metodus, kurie iš esmės yra „adityvūs“ jau daugelį amžių (pavyzdžiui, plokščių, lakštų, kaltinių ir valcavimo darbų sujungimas kniedėmis ar varžtais, juos naudoja kalviai ar modernūs suvirintojai), tai neįtraukė informacinių technologijų maketais paremto komponento apibrėžimo. Tradiciškai apdirbimas (tikslių formų kūrimas) buvo atimamasis, nuo drožimo ir tekinimo iki frezavimo, gręžimo ir šlifavimo.

Terminą stereolitografija 1984 metais plenere pasiūlė Charles W. Hull, pavadindamas jį „sistema, generuojančia trimačius objektus, sukuriant skersinio pjūvio, kuris bus suformuotas, modelį“.

Pagrindiniai principai

Modeliavimas

Adityvus 3D spausdinimas naudoja virtualius modelius (mėlyną 3D šviesoraščio popierių (angl. 3D blueprint)) iš automatizuoto projektavimo sistemų (CAD) arba animacinio modeliavimo kompiuterinės įrangos ir supjausto juos į skaitmeninius skersinius pjūvius tam, kad mašina galėtų juos naudoti kaip spausdinimo gaires. Priklausomai nuo panaudotos mašinos, pamatinė arba įrišamoji medžiaga yra padėta ant parinktos vietos ar platformos, kol medžiagos/segtuvo sluoksniavimas nėra užbaigtas, ir paskutinis 3D modelis yra „išspausdintas“.

Standartinė duomenų sąveika tarp CAD programinės įrangos ir pačios mašinos yra STL rinkmenos formatas. STL rinkmena yra artima trikampių formų daliai ar jų asamblėjai. Mažesnės facetės (aspektai) gamina aukštesnį kokybišką paviršių. PLY yra skaitytuvo sukurtas įvesties rinkmenos formatas, o VRML (ar WRL) rinkmenos yra dažnai naudojamos kaip 3D spausdinimo technologijų įvestis, kurios pagalba galima išspausdinti visas spalvas.

3D Spausdinimas

Kad įvyktų spausdinimo procesas, mašina „skaito“ projektą iš STL rinkmenos ir kloja nuoseklius skysčio, miltelių, popieriaus ar lapo sluoksnius, siekiant iš virtinės skersinių pjūvių pastatyti modelį. Šitie sluoksniai, atitinkantys virtualius skersinius pjūvius iš CAD modelio, yra sujungiami arba automatiškai sulydomi tam, kad būtų sukurta galutinė forma. Pirminis šios technikos pranašumas yra gebėjimas sukurti praktiškai bet kokią formą ar geometrinį objektą.

Spausdintuvo rezoliucija nurodo sluoksnių storį ir X-Y rezoliucijos taškų skaičių viename colyje (angl. dots per inch) ar makrometrus. Nors standartinis sluoksnio storis yra 100um/dot (250 taškų colyje), kai kurios mašinos, kaip Object Connex ir 3D System‘s Pro Jet, gali spausdinti 16um/dot (1600 taškų colyje) storio sluoksnius. X-Y rezoliucija yra lyginama su lazerinių spausdintuvų rezoliucija. Dalelės (3D taškai) yra nuo 50 iki 100 um/dot (510–250 taškų colyje) diametro.

Modelio gaminimas gali užtrukti nuo kelių valandų iki kelių dienų, priklausomai nuo jo sudėtingumo ir gaminimo metodo. Adityvios sistemos standartiškai gali sumažinti šį laiką iki kelių valandų, tačiau tai priklauso nuo naudojamos mašinos tipo bei vienu laiku gaminamų modelių skaičiaus ir dydžio.

Tradiciniai būdai, tokie kaip įpurškiamasis liejimas (angl. injection molding), gali būti pigesni gaminant polimero produktus dideliais kiekiais, tačiau adityvus gaminimas gali būti greitesnis, labiau prisitaikantis ir pigesnis gaminant pakankamai mažą kiekį dalių. 3D spausdintuvai suteikia galimybę dizaineriams ir idėjos vystymo komandoms gaminti dalis ar visą koncepciją naudojant ekrano dydžio spausdintuvą.

Užbaigimas

Nors spausdintuvo suteikiama rezoliucija yra pakankama daugeliui aplikacijų, galima pasiekti tikslesnių rezultatų, spausdinant šiek tiek per didelę trokštamo objekto versiją, naudojant standartinę rezoliuciją ir tada pašalinant medžiagą aukštesnės rezoliucijos atėmimo metodu.

Kai kurios adityvaus gaminimo technikos gali naudoti įvairias medžiagas konstruojant skirtingas dalis. Naudojant kai kuriuos būdus galima spausdinti įvairiomis spalvomis ir jų deriniais. Kai kurios technikos gaminimo procese naudoja atramą. Atramos yra panaikinamos arba suskaldomos spausdinimo pabaigoje ir konstravimo metu yra naudojamos palaikyti išsikišusias dalis.

Adityvūs procesai

Nuo 8-ojo XX a. dešimtmečio buvo išrasta keletas skirtingų 3D spausdinimo procesų. Spausdintuvai buvo dideli, brangūs bei labai ribotų galimybių.

Šiais laikais pasiekiama daug adityvių procesų. Norint sukurti tam tikras dalis, naudojamas skirtingas sluoksnių išdėstymas bei kitokios medžiagos. Kai kurie metodai ištirpdina arba suminkština medžiagas tam, kad sukurtų sluoksnius, pavyzdžiui, selektyvus lydymas lazeriu(SLM) ar tiesioginis metalo kietinimas lazeriu (DMLS), selektyvus kietinimas lazeriu (SLS), lydyto nusėdimo modeliavimas (FDM), tuo tarpu kiti apdoroja skystas medžiagas naudodami įmantrias technologijas, pavyzdžiui, stereolitografiją (SLA). Naudojant laminuotą objektų gamybą (LOM), ploni sluoksniai yra supjaustomi ir sujungiami (pavyzdžiui, popierius, metalas, polimeras). Kiekvienas metodas turi savo privalumus ir trūkumus dėl to kai kurios kompanijos siūlo medžiagos, iš kurios bus gaminamas objektas, pasirinkimą nuo miltelių iki polimero. Kai kurios kompanijos naudoja popierių, kaip statybinę medžiagą, gaminant patvarų prototipą. Dažniausiai pagrindinis dėmesys, renkantis įrenginį, yra skiriamas greičiui, 3D spausdintuvo kainai, atspausdinto prototipo kainai bei spalvų ir medžiagų pasirinkimo galimybėms.

Spausdintuvai, tiesiogiai naudojantys metalą, yra brangūs. Tačiau, kai kuriais atvejais ne tokie brangūs spausdintuvai gali būti naudojami gaminant klojinius, kurie vėliau bus naudojami gaminant metalo dalis.

Tipas	Technologija	Medžiagos
Ekstruzinis	Lydyto nusėdimo modeliavimas(FDM)	Termoplastikas  (pvz. PLA, ABS), HDPE, eutektiniai metalai, maisto medžiagos, guma, modeliavimo molis, plastilinas, RTV silikonas, porcelianas, metalo molis (taip pat tauriųjų metalų molis)
Laidinis	Laisvų elektronų pluošto gamyba (EBF3)	Praktiškai bet koks metalo lydinys
Granuliuotas	Tiesioginis metalo lydimas lazeriu(DMLS)	Praktiškai bet koks metalo lydinys
	Lydimas elektronų spinduliais (EBM)	Titano lydinys
	Selektyvus lydymas lazeriu(SLM)	Titano lydinys, kobalto chromo lydinys, nerūdijantis plienas, aliuminis
	Selektyvus šiluminis kietinimas (SHS)	Termoplastiniai milteliai
	Selektyvus kietinimas lazeriu(SLS)	Termoplastikas, metalo milteliai, keramikos milteliai
Miltelių sluoksnio 3D spausdinimas purkštuko galvute	Gipso 3D spausdinimas (PP)	Gipsas
Laminuotas	Laminuota objektų gamyba (LOM)	Popierius, metalo folija, plastiko plėvelė
Polimerizuotas šviesa	Stereolitografija(SLA)	Fotopolimeras
	Skaitmeninis šviesos apdorojimas (DLP)	Polimeras

Ekstruzijos nusodinimas

Lydyto nusėdimo modeliavimą (angl. fused deposition modeling) 9-ajame XX a. dešimtmetį išrado S. Scott Crump, o 10-ą dešimtmetį jį komerciniams tikslams pritaikė „Stratasys“. Dabar, pasibaigus šios technologijos patentui, yra didžiulės atvirų šaltinių bendruomenės (pavyzdžiui, RepRaps), komerciniai ir DIY variantai, kurie naudoja šio tipo 3D spausdintuvą. Šios technologijos sukūrimas paskatino didelį tos srities įrenginių kainų kritimą.

Lydyto nusėdimo modeliavimo metu maketas ar jo dalis yra gaminami štampuojant mažus medžiagos rutuliukus, kurie staigiai sukietėja, suformuodami sluoksnį. Termoplastinis plaušelis ar metalinė viela, suvyniota į ritę, yra išvyniojama norint štampavimo purkštuko galvutę aprūpinti medžiaga. Purkštuko galvutė kaitina metalą ir išjungia bei vėl įjungia jo srautą. Tradiciškai yra naudojama eigos arba valdymo variklis norint perkelti purkštuko galvutę bei pritaikyti srautą; purkštukas gali būti judinamas vertikalia bei horizontalia kryptimi. Šio mechanizmo kontrole tradiciškai rūpinasi kompiuterizuotos gamybos (angl. computer-aided manufacturing (CAM)) programa, valdanti mikrokontrolerį .

Yra naudojami skirtingi polimerai, tokie kaip akrilnitrilo butadieno stirenas (ABS), polikarbonatas (PC), polilaktidas (PLA), didelio tankumo politelenas (HDPE) ir polifelinsuflonas (PPSU). Apskritai, polimeras yra plaušo forma, pagaminta iš gamtinės dervos. Visuomenėje egzistuoja įvairūs atvirų šaltinių projektai, bandantys paversti panaudoto plastiko atliekas naudojamu plaušu. Tam tarnauja mašinos, kuriomis plėšant ir presuojant plastiką, jis tampa plauštu.

FDM turi tam tikrus gaminamų formų apribojimus. Pavyzdžiui, FDM dažniausiai negali pagaminti stalaktito formos struktūrų. Tokios struktūros yra vengiamos arba konstruojamos sukuriant pagalbinę medžiagą, kuri gali sulūžti maketo baigimo metu.

Granuliuotų medžiagų kietinimas

Kitas 3D spausdinimo metodas yra selektyvus granuliuotų medžiagų sluoksnio kietinimas. Šia technika sulydomos sluoksnių dalys, tada darbas perkeliamas žemyn, pridedant kitą granulių sluoksnį ir kartojant šį procesą iki tol, kol figūra pagaminta. Šis procesas naudoja nesulydytą terpę iškilimams prilaikyti ir plonoms sienelėms gaminti taip sumažinant pagalbinių įtaisų poreikį. Kad objektas taptų vientisos masės, reikalingas lazeris. Šio proceso pavyzdžiai yra selektyvus kietinimas lazeriu (SLS) su metalais ir polimerais (PA, PA-GF, kietuoju GF, PEEK, PS, aliuminiu, karbonmidu, elastomeru) ir tiesioginis metalo kietinimas lazeriu (DMLS).

Selektyvų kietinimą lazeriu (angl. selective laser sintering) 9-ojo dešimtmečio viduryje išrado ir patentavo Dr. Carl Deckard ir Dr. Joseph Beatman Teksaso universiteto Ostine, jį finansavo DARPA. Panašų procesą 1979-aisiais patentavo, bet nesukomercino R. F. Housholder.

Selektyvus lydymas lazeriu (angl. selective laser melting) nenaudoja kietinimo granulių miltelių sulydymui, bet visiškai išlydo miltelius, naudodamas aukštos energijos lazerį, kurdamas visiškai sūdrias medžiagas sluoksnišku metodu su panašiomis techninėmis savybėmis kaip tradicininai pagaminti metalai.

Lydimo elektronų spinduliais (angl. electron beam melting) metodas yra panašus į adityvią gaminimo technologiją metalinių dalių gaminimui (pavyzdžiui titano lydiniams). Lydimas elektronų spinduliais gamina dalis sluoksnis po sluoksnio, lydant metalo miltelius, naudojant elektronų spindulius vakuume. Kitaip negu metalo kietinimo technika, nepasiekianti visiško išlydymo, lydimas elektronų spinduliais yra visiškai tankus, neturintis vakuumo ir labai stiprus.

Kitas metodas naudoja 3D spausdinimo purkštuko galvute sistemą. Spausdintuvas sukuria modelį po vieną sluoksnį, paskleidžiant sluoksnį miltelių (plastiko arba sakų) ir spausdinant dalies skerspjūvio surišimą, naudojant štampavimo procesą. Tai yra kartojama, kol atspausdinamas kiekvienas sluoksnis. Ši technologija leidžia spausdinti visų spalvų prototipus, iškyšas ir elastomero dalis. Sukietininti miltelių spausdiniai gali būti sutvirtinti vašku arba reaktoplastiko impregnavimu.

Laminavimas

Kai kuriuose spausdintuvuose popierius gali būti naudojamas kaip statybinė medžiaga, sumažinanti spausdinimo išlaidas. XX a. paskutinįjį dešimtmetį kai kurios kompanijos pardavinėjo spausdintuvus, kurie išpjaudavo skersinius pjūvius iš specialaus lipnaus padengto popieriaus naudojant anglies dioksido lazerius ir tada juos kartu laminuodavo.

2005-aisiais „Mcor Technologies Ltd.“ išvystė kitokį procesą naudodami paprastus popieriaus lapus, volframo kabrido geležtę formai išpjauti ir selektyvų nusodinimą klijais bei spaudimą prototipui sukibinti.

Taip pat yra daugybė kompanijų, pardavinėjančių spausdintuvus, kurie naudoja plastiką ir metalo plokštes laminuotiems objektams atspausdinti.

Fotopolimerizacija

Pagrindinis straipsnis – Stereolitografija.

Stereolitografiją 1986-aisiais metais patentavo Chuck Hull. Fotopolimerizacija pirmiausia yra naudojama stereolitografijoje (SLA) norint iš skyčio pagaminti kietą kūną. Šis procesas iš naujo apibrėžė ankstesnes pastangas nuo Francois Willeme (1830–1905) fotoskulptūrų metodo 1860-aisiais iki „Mitsubishi“ Matsubara fotopolimerizacijos 1974-aisiais.

Skaitmeniniame šviesos apdorojime (angl. digital light processing) skysto polimero kubilas yra veikiamas šviesos, sklindančios iš skaitmeninio šviesos apdorojimo projektoriaus. Apšviestas skystas polimeras kietėja. Tada sukonstruota forma pamažu juda žemyn ir skystas polimeras yra vėl apšviečiamas. Šis procesas kartojasi iki to momento, kol padaromas maketas. Tada skystas polimeras išdžiovinamas paliekant vientisą modelį. „EnvisionTEC“ Perfactory  yra saitmeninio šviesos apdorojimo pagamintų prototipų pavyzdys.

Spausdintuvų su purkštuku sistemos, tokios kaip Objet PolyJet, itin plonais sluoksniais (tarp 16 ir 30 colių) purškia fotopolimero medžiagas ant sukonstruoto lovelio, kol sukonstruojamas prototipas. Kiekvienas fotopolimero sluoksnis yra apdorojamas UV šviesa, taip sukuriant pilnai apdorotus maketus, kurie gali būti iš karto perduodami ir naudojami. Atraminė į gelį panaši medžiaga, kuri yra sukurta kaip sudėtingų geometrinių formų modelių ramstis, yra pašalinama rankomis ir vandens srautu. Tai yra taip pat tinkama elastomerams.

Itin mažos dalelės gali būti pagaminamos naudojant 3D mikro gaminimo techiką, naudojamą multifotono fotopolimerizacijoje. Šis metodas braižo pageidaujamus 3D objektus gelio bloke naudojant fokusuotą lazerį. Dėl linijinės nuotraukų (excitation) prigimties, gelis yra apdorojamas iki vientiso objekto tose vietose, kuriose buvo sufokusuotas lazeris, o likęs gelis yra nuplaunamas. Objektai iki 100 nanometrų yra pagaminami lengvai, taip pat kaip ir kompleksinės struktūros su judančiomis ir sujungtomis dalimis.

Kitas metodas naudoja sintetinę dervą, kuri yra sukietinama naudojant LED.

Kaukės atvaizdo projektavimu paremta stereolitografija

Šia technika skaitmeninis 3D modelis yra supjaustomas horizontaliais griežinėliais. Kiekvienas griežinėlis yra paverčiamas dvimačiu kaukės vaizdu. Tada kaukės vaizdas yra suprojektuojamas ant nuotraukoms tinkamo skysto dervos paviršiaus, o šviesa yra metama ant dervos siekiant išgauti sluoksnio formą.

Paieškos sistemose šviesa yra metama iš apačios, leidžiant dervai greitai išplisti ant nekintančių plonų sluoksnių taip sumažinant gaminimo laiką nuo valandų iki minučių.

Ši technika yra naudojama kuriant objektus, kurie yra sudaryti iš įvairių medžiagų ir apdorojami skirtingu metu.

Komerciškai pasiekiami prietaisai, tokie kaip Objet Connex, pritaiko dervą smulkiu purkštuvu.

Spausdintuvai

Industrinis panaudojimas

Nuo 2012 metų spalio mėnesio „Stratasys“, JAV ir Izraelio kompanijų susiliejimo padarinys, parduoda adityvaus gaminimo sistemas, kurių kainos svyruoja nuo 2000 iki 500 000 JAV dolerių. „General Electric“ naudoja aukštos klasės modelius turbinų dalių gamyboje. „General Electric“ į šią technolojiją investavo 1 milijardą dolerių.

Panaudojimas buityje

Keletas projektų ir kompanijų stengiasi vystyti prieinamos kainos 3D spausdintuvus naudojimui namuose. Daug nuveikė DIY/entuziastai/ankstyvos naudotojų bendruomenės, taip pat akademikų ir piratų bendruomenės.

RepRap yra vienas ilgiausiai gyvuojančių darbalaukio kategorijos projektų. RepRap projektas siekia kurti nemokamą ir atvirojo kodo kompiuterinę įrangą (FOSS) 3D spausdintuvams, kurių technines specifikacijas patvirtino GNU General Public Licence licencija. Jie gali patys replikuoti save spausdindami daugelį savo pačių plastikinių dalių, taip sukurdami daugiau mašinų. Tyrimai juda link prietaisų įgalinimo spausdinti schemines plokštes ir metalines dalis.

Dėl FOSS tikslų daugybė susijusių projektų naudojo jų dizainą kaip įkvėpimo šaltinį, kurdami susijusių arba išvestinių 3D spausdintuvų (dažniausiai atvirų šaltinių dizaino), ekosistemą. Šis visiems prieinamas dizainas reiškia, kad yra labai sudėtinga sukurti skirtingus 3D spausdintuvus. Tačiau spausdintuvų dizaino kokybė ir sudėtingumas taip pat kaip ir įrankių ar pagamintų produktų kokybės skirtumai priklauso nuo projekto. Šitas staigus 3D spausdintuvų vystymasis sulaukia daugelio sričių susidomėjimo, nes jis suteikia didžiules pritaikymo galimybes ir viešosios teritorijos naudojimą gaminat visiems pasiekiamą atitinkamą technologiją per persiuntimo kanalus, tokius kaip Thingiverse ar Cubify. Ši technologija taip pat gali pagelbėti darniojo vystymosi iniciatyvoms, nes technologijos yra lengvai ir ekonomiškai pagaminamos iš vietinių bendruomenių išteklių.

Nuo 2010 metų 3D spausdintuvų kaina dramatiškai krito. Įrenginiai, kurie kainuodavo 20 000 JAV dolerių, dabar kainuoja mažiau negu 1000 dolerių. Pavyzdžiui, 2013 metais keletas kompanijų ir individų pardavė dalis, iš kurių galima pasigaminti įvairius RepRap dizainus nuo 400 eurų/500 dolerių. Atvirojo kodo Fab@Home projektas platino bendro naudojimo spausdintuvus, kuriais galima purkšti viską nuo šokolado iki silikono hermetiko ar cheminių medžiagų. Spausdintuvai, sukurti pagal projekto dizainą, yra pasiekiami iš gamintojų komplektuose arba surinktose formose nuo 2012 metų ir kainuoja apie 2000 dolerių.  Kickstarter finansuotas Peachy Printer kainuoja 100 dolerių. Keletas kitų naujų 3D spausdintuvų (mUVe3D ar Lumifold) taip pat taikosi į nedidelę, nebrangią rinką.

Kadangi 3D spausdintuvų kaina krito, išaugo jų paklausa asmeninių produktų savarankiškai gamybai. Taip pat 3D spausdinimo produktai, naudojami buityje, gali sumažinti gamybos poveikį aplinkai sumažinant medžiagų naudojimą bei platinimą.

RepRap principu pagamintų spausdintuvų vystymasis ir jų pritaikymas individualiems vartotojams pateikė naują spausdintuvų seriją, pritaikytą mažoms kompanijoms ir asmeniniam naudojimui. Gamintojai, tokie kaip „Solidoodle“, „RoBo“ ir „RepRapPro“, pristatė modelius ir įrankių rinkinius, kainuojančius mažiau negu 1000 dolerių – tūkstančiais pigiau negu 2012-ųjų rugsėjį. Priklausomai nuo pritaikymo, spausdinimo rezoliucija ir gaminimo greitis yra tarp asmeninių ir industrinių spausdintuvų. Spausdintuvų kainų ir kitos informacijos sąrašas yra prižiūrimas. Paskutiniu metu, siekiant dar labiau padidinti spausdinimo greitį, 3D spausdinime buvo panaudoti delta robotai.

Kai kurios kompanijos taip pat siūlo 3D spausdinimo programinę įrangą kaip pagalbinę kitų kompanijų siūlomai techninei įrangai.

Pritaikymas

Tridimensinis 3D spausdinimas suteikia galimybes pigiai kurti pavienius elementus ir gaminti jų tūkstančius, taip kenkiant ekonomikos skalei. Tai gali turėti tokią pat didelę įtaką pasauliui, kokią padarė gamyklų atsiradimas. Taip kaip niekas negalėjo nuspėti garo variklio įtakos 1750-aisiais, spausdinimo mašinų 1450-aisiais ar tranzistoriaus 1950-aisiais, taip nėra įmanoma numatyti ilgalaikės 3D spausdinimo įtakos. Technologija ateina ir yra tikėtina, kad ji sujauks kiekvieną sritį, kurią palies.   „The Economist“, 2011 m. vasario 10 d.

Adityvi gamyba didžiausią įtaką padarė įrankių ceche. Pavyzdžiui, greita prototipų gamyba buvo vienas iš anksčiausių adityvių variantų, o jos misija buvo sumažinti nurodymų laiką ir vystomų naujų prototipų ir jų dalių kainą – įrenginiai anksčiau būdavo gaminami įrankių ceche atėmimo metodu (dažniausiai brangiai ir lėtai). Tačiau, verslo pasaulyje tobulėjant adityvios gamybos technologijoms ir jų sklaidai, adityvūs metodai pradėjo dar daugiau skverbtis į gamybos produkciją, pasireikšdami kūrybingais ir netikėtais keliais. Dalys, kurios anksčiau būdavo vienintelė atimties metodų sritis, dabar kai kuriais atvejais gali būti daug pelningesnės dėl aditivių metodų atsiradimo.

Standartinis panaudojimas apima dizaino vizualizacijas, prototipų kūrimą/CAD, metalo išliejimą, architektūrą, mokslą, geoerdves, sveikatos apsaugą bei pramogas ir pardavimų sferą.

Industrinis panaudojimas

Sparti prototipų gamyba

Pagrindinis straipsnis – Sparti prototipų gamyba.

Industriniai 3D spausdintuvai egzistavo nuo ankstyvojo 9-ojo dešimtmečio ir buvo naudojami sparčiai prototipų gamybai bei tyrimams. Tai yra didelės mašinos, kurios naudoja patentuotus miltelių formos metalus, liejamas terpes (pavyzdžiui smėlį), plastiką, popierių arba šerdeles ir yra naudojamos sparčiam prototipų gaminimui universitetuose bei komercinėse kompanijose.

Spartus apdirbimas

Sparčios prototipų gamybos technologijos pažanga įdiegė medžiagas, kurios yra tinkamos galutinei gamybai, suteikusiai tiesiogiai pabaigtų komponentų apdirbimo galimybę. Vienas iš 3D spausdinimo sparčioje gamyboje panaudojimo privalumų yra pakankamai nebrangi nedidelio dalių kiekio produkcija.

Sparti gamyba yra naujas gamybos metodas ir daug jo procesų dar nepatvirtinta. 3D spausdinimas įžengia į spartaus apdirbimo sferą, o 2009-ųjų metų ataskaitoje yra identifikuojamas kaip „kitas technologijos lygis“. Vienas iš perspektyviausių lazerio technikos procesų yra dar ankstyvojoje stadijoje, turi daug kliūčių, kurias reikės pereiti, kol spartus apdirbimas taps realiu apdirbimo metodu.

Masinis pritaikymas individualiam vartotojui

Kompanijos yra sukūrusios paslaugas, kur pirkėjai gali pagal savo norus modeliuoti objektus, naudodami nesudėtingą internetinę programinę įrangą ir užsisakyti sukurtus produktus kaip originalius 3D objektus. Dabar vartotojams leidžiama kurti dėklus savo mobiliesiems telefonams. „Nokia“ išleido 3D dizainus savo dėklams tam, kad vartotojai turėtų galimybę patys susikurti ir gauti atspausdintą 3D dėklą.

Masinė gamyba

Lėtas 3D spausdintuvų greitis riboja jų panaudojimą masinėje gamyboje. Siekiant sumažinti šias pridėtines išlaidas, keletas išlydytų plaušelių mašinų dabar siūlo keletą presavimo (štampavimo) galvučių. Jie gali būti naudojami spausdinimui įvairiomis spalvomis, skirtingais polimerais arba vienu metu spausdinant daugybę dalių. Gaminant keletą pavyzdžių, padidėja bendras spausdinimo greitis ir sumažėja išlaidos, nes skirtingai nei identiškos mašinos, šie spausdintuvai dalijasi vienu kontroleriu.

Skirtingai negu keletas mašinų, mašinos, gebančios gaminti įvairias medžiagas, gali gaminti tik identiškas tokios pačios dalies kopijas, bet, jei reikia, gali pasiūlyti daugiau spalvų arba medžiagų. Spausdinimo greitis didėja proporcingai spausdinimo galvučių skaičiui. Taip pat energijos kaina sumažėja dėl to, kad tokie įrenginiai dalinasi tais pačiais įkaitintais spaudmenis. Kartu šios ypatybės sumažina bendras išlaidas. Daugelis spausdintuvų dabar siūlo dvi spausdinimo galvutes. Tačiau jos yra naudojamos gaminant vieną dalių komplektą skirtingomis spalvomis arba iš skirtingų medžiagų. Yra parašyta keletas mokslinių darbų, siekiant pamatyti ar tradiciniai atėmimo metodai yra panašūs į adityviuosius.

Panaudojimas buitinėms ir mėgėjiškoms reikmėms

Nuo 2012 metų namų 3D spausdinimas labiausiai sužavėjo mėgėjus bei entuziastus, bet dar praktiškai neįgijo pritaikymo buityje reikšmės. Spausdintuvai buvo panaudoti, pvz., veikiančio laikrodžio ar krumpliaračių, skirtų medžio apdirbimo mašinoms, pagaminimui bei kitoms paskirtims. 3D spausdinimas tai pat naudojamas ornamentiniams objektams. Internetiniai puslapiai, susiję su 3D spausdinimu, siūlo lazdeles nugarai pasikasyti, paltų kablius, durų rankenas ir tt.

Nuo 2013 metų 3D spausdintuvai buvo naudojami gyvūnų globai. 3D spausdinimo būdu atspausdinta pėda padėjo luošam ančiukui vėl vaikščioti. Atspausdinti stilingi 3D krabų kiautai leido jiems apsigyventi naujuose namuose. Spausdintuvai taip pat pagamino žmonėms dekoratyvinius objektus, tokius kaip vėriniai, žiedai ar rankinės.

Atvirojo kodo projektas Fab@Home tobulino bendro naudojimo spausdintuvus. Jie yra naudojami tyrimams siekiant gaminti ir išrasti cheminius mišinius naudojant 3D spausdinimo technologiją, iš pradžių be staigaus panaudojimo kaip principo įrodymo. Spausdintuvas gali spausdinti bet ką, kas gali būti paskleista iš švirkšto, kaip antai skystis arba pasta. Chemikai įžvelgia, kad ši technologija gali būti naudojama ir namų, ir industrinėje veikloje. Pavyzdžiui, įgalinant vartotojus tolimose vietose gaminti savo pačių medicinos reikmenis ar namų ūkio chemikalus.

OpenReflex analogas SLR kamera buvo išvystyta kaip studento atvirojo kodo informacijos projektas.

Drabužiai

3D spausdinimas paplito drabužių industrijoje, madų dizaineriams eksperimentuojant su 3D atspausdintais maudymosi kostiumėliais, batais ir suknelėmis. Komercinėje produkcijoje Nike naudoja 3D spausdinimą kurdamas prototipus ir gamindamas 2012 Vapor Laser Talon futbolo batus amerikietiško futbolo žaidėjams, New Balance yra 3D užsakymo batai atletams.

3D spausdinimo paslaugos

Kai kurios kompanijos siūlo internetines 3D spausdinimo paslaugas, prieinamas ir vartotojams, ir industrijoms. Tokios paslaugos reikalauja žmonių įkelti savo 3D dizainus į kompanijos internetinį puslapį. Tada dizainai yra atspausdinami naudojant 3D spausdintuvus ir/arba pristatomi klientui arba atiduodami į sandėlį.

Naujų pritaikymų tyrimas

Ateities 3D spausdinimo technologijos gali įtraukti atvirojo kodo mokslinę įrangą arba įrangą, naudojamą moksliniu pagrindu, kaip fodilijų atkūrimą paleontologijoje, neįkainojamų antikinių ir istorinių artifaktų atkūrimą archeologijoje, kaulų ir kūno dalių atkūrimą teismo patologijoje ir stipriai suniokotų įrodymų atkūrimą nusikaltimo vietos tyrimo proceso metu. Technologijos perspektyvos tyrinėjamos netgistatybos srityje.

2005 metais akademiniai žurnalai pradėjo raportuoti galimą 3D technologijos meninį pritaikymą. 2007-aisiais masinės medijos pasekė akademikų pavyzdžiu ir išspausdino straipsnį „The Wall Street Journal“ ir „The Time Magazine“ žurnaluose ir pateikė didžiausią įtaką tais metais padariusių 3D spausdinių sąrašą. 2011 metų London Design Festival metu instaliacija, pristatyta Murray Moss ir fokusuota į 3D spausdinimą, buvo laikoma Victoria and Albert muziejuje. Instaliacija buvo pavadinta Industrial Revolution 2.0: How the Material World will Newly Materialize.

Nuo 2012-ųjų 3D spausdinimo technologiją tyrinėjo biotechnologijos kompanijos ir akademikai, ieškodami panaudojimo audinių inžinerijoje, kur organai ir kūno dalys yra gaminami pritaikant štampavimo techniką. Šio proceso metu gyvų ląstelių sluoksniai yra sluoksniuojami ant gelinio paviršiaus arba cukraus tarpląstelinės medžiagos ir lėtai konstruojami į trimatę struktūrą (įtraukiant kraujagyslių sistemas). Kalbant apie šią tyrimų sritį yra naudojama keletas terminų: organų 3D spausdinimas, biospausdinimas, kūno dalių 3d spausdinimas, kompiuterinė audinių gamyba ir kiti.

Jungtinės Karalystės Glazgo universitete 2012 metais įvykdytas projektas parodė, kad yra įmanoma pritaikyti 3D spausdinimo techniką (naujų) cheminių junginių gamyboje. Universiteto mokslininkai pirmiausia išspausdino cheminės reakcijos indus, tada panaudojo spausdintuvą cheminiams reaguojančiams dažams purkšti. Jie pagamino naujus junginius, patvirtinančius proceso svarumą, bet neatrado konkretaus panaudojimo. Cornell Creative Machines Lab patvirtino, kad yra įmanoma pagal individualius poreikius pasigaminti maisto naudojant 3D Hydrocolloid spausdinimą.

3D nuskaitymo technologijų naudojimas leidžia replikuoti tikrus objektus nenaudojant liejimo technikos, kuri daugeliu atvejų yra brangesnė, sudėtingesnė arba per daug invaziška gamint, ypatingai brangius ir subtilius kultūros objektus , kur tiesioginis kontaktas su modeliavimo medžiagomis gali pakenkti originaliam paviršiui.

Papildomas 3D spausdinimo panaudojimas yra pastatų spausdinime. Tai galėtų suteikti greitesnę statybą mažesnėmis sąnaudomis. Be to, tirtas 3D spausdinimo panaudojimas statyboms nežemiškoje aplinkoje potencialas. Pavyzdžiui, Sinterhab projektas tiria Mėnulio paviršių, sukonstruotą 3D spausdintuvo panaudojant mėnulio regolitą, kaip pamatinę medžiagą. Vietoje sukietintos regolito medžiagos mokslininkai eksperimentuoja su mikrobangomis kuriant vientisus neįprastos medžiagos blokus.

Naudojant 3D spausdinimo siūlomą adityvių sluoksnių technologiją ir Terahertz įrenginius, veikiančius kaip bangolaidžiai, buvo sukurti jungiamoji mova, alkūnė ir kitokie mechanizmai. Sudėtingos šių prietaisų formos negalėtų būti pasiektos naudojant tradicines gamybos technikas. Komerciškai prieinamas profesionalus spausdintuvas EDEN 260V buvo naudojamas siekiant sukurti minimalaus dydžio (100um) struktūras. Kuriant Terahertz Plasmonic Device atspausdintos struktūros vėliau buvo padengtos auksu.

Kinija beveik už 500 milijonų JAV dolerių įkūrė dešimt nacionalinių 3D spausdinimo institutų. 2013 m. kinų mokslininkai pradėjo spausdinti ausis, kepenis ir inkstus iš gyvo audinio. Kinų mokslininkams pavyko sėkmingai atspausdinti žmonių organus naudojant specialius 3D biospausdintuvus, kurie naudoja gyvas, o ne plastikines ląsteles. Mokslininkai iš Hangdžou Diandzi universiteto sugebėjo išrasti 3D spausdintuvą, atliekantį sudėtingas užduotis, dubliuojant 3D „Regenovo“ biospausdintuvą. Xu Mingen, Regenovo plėtotojas, sakė, kad spausdintuvas atspausdina minikepenų pavyzdį ar penkių colių ausies kremzlės pavyzdį greičiau nei per valandą. Xu taip pat numato, kad pilnai funkcionuojantys spausdinti organai bus gaminami per ateinančius 10–20 metų. Tais pačiais metais mokslininkai iš Haselto universiteto Belgijoje sėkmingai atspausdino naują žandikaulį 83-ejų metų moteriai. Moteris dabar gali kramtyti, kalbėti ir normaliai kvėpuoti.

Bahreine didelės apimties 3D spausdinimas naudojant į smiltainį panašią medžiagą buvo naudojamas kuriant unikalias koralo formos struktūras, kurios skatina koralų polipus apsigyventi ir atgaminti apgadintus rifus. Šios struktūros yra daug natūralesnės formos negu prieš tai naudotos struktūros dirbtiniams rifams atkurti ir turi neutralų pH, kuris nebūdingas betonui.

Keletas nesenų 3D spausdinimo plėtimosi variantų naudojant į smiltainius panašią medžiagą 2013 metų lapkričio mėnesį buvo atskleista 3Dprintshow parodoje Londone. Viena parodos dalis koncentravosi ties 3D spausdinimo galimybėmis medicinoje. Pagrindinė tema buvo šių spausdintuvų galimybė sukurti dalis, kurios gali turėti individualias specifikacijas. Tai padaro procesą saugesnį ir veiksmingesnį. Vienas iš šių privalumų yra 3D spausdintuvų naudojimas liejimo formų, pamėgdžiojančių paremiamus kaulus, gaminimas. Šios, pagal užsakymą pagamintos formos yra atviros ir leidžia jų nešiotojui kasytis niežtinčias vietas bei nuplauti pažeistą vietą. Atvirumas taip pat leidžia ventiliuotis. Vienas iš geriausių bruožų yra tas, kad prireikus pagaminti daugiau formų jie gali būti perdirbami.

Intelektinė nuosavybė

3D spausdinimas egzistuoja dešimtmečius tam tikrose gamybos industrijose ir jį saugo daug legalių reglamentų, tokių kaip patentai, industrinio dizaino teisės, autorinės teisės ir firmos ženklai. Tačiau nėra daug teisėtvarkos apribojimų, kurie numatytų, kaip šie įstatymai tiks 3D spausdintuvams, kai jie taps populiarūs ir individualų bei entuziastų bendruomenės pradės juos gaminti asmeniniam naudojimui, ne pelno siekiančiam platinimui ar pardavimui.

Visi iš prieš tai išvardintų teisinių reglamentų gali uždrausti 3D spausdinimo dizainų platinimą arba atspausdinto objekto platinimą bei pardavimą. Norint gauti leidimą daryti šiuos dalykus, asmuo turėtų susisiekti su savininku ir gauti leidimą, kuris gali turėti apribojimus ir daug kainuoti.

Patentai apsaugo procesus, mašinas, gamybą bei sudedamąsias dalis ir galioja 20 metų. Dėl to, jei tam tikro tipo ratas yra patentuotas, jo 3D spausdinimas, naudojimas ar pardavimas gali pažeisti patentų įstatymą.

Autorių teisė saugo išraiškos formą ir dažniausiai galioja visą autoriaus gyvenimą ir 70 metų po jo mirties. Jei kas nors pagamina statulą, jie gali turėti statulos išvaizdos autorinę teisę. Dėl to, jei kas nors pamato statulą, jie neturi teisės platini identiškų ar panašių statulų kopijų.

Kai objektas turi ir meninę (autorinių teisių), ir funkcionalią (patentuotą) vertę, teismai dažniausiai nusprendžia, kad objektas nebus saugomas autorinių teisių, nebent meninė vertė gali būti atskirta nuo funkcinio jo panaudojimo.

3D spausdinimo padariniai

Adityvi gamyba, pradedant nuo jos dabartinio kūdikystės periodo, reikalauja firmų lankstumo, gebėjimo konkuruoti su nuolatos tobulėjančiais technologijų vartotojais. Adityvaus gaminimo šalininkai taip pat prognozuoja, kad šios technologijos vystymasis prieštaraus globalizacijai, nes vartotojai gamins savo pačių produktus, o ne pirks juos iš kitų žmonių ar korporacijų. Tačiau, tikra aditivios gamybos integracija į komercinę produkciją yra labiau tradicinių metodų papildymas negu jų visiškas išstūmimas.

Kosmoso tyrinėjimai

Jau nuo 2010-ųjų prasidėjo darbas su 3D spausdintomis aplikacijomis mažos arba nulinės gravitacijos aplinkose. Pirminis konceptas įtraukė elementarių objektų, tokių kaip rankinių įrankių arba sudėtingesnių paklausių prietaisų kūrimą vietoje vertingų išteklių, tokių kaip kuro ar kargo naudojimo norint gabenti gaminius į kosmosą.

NASA atlieka testus norėdamas įvertinti 3D spausdinimo potencialą pigesniems ir produktyvesniems kosmoso tyrimams. Raketų dalys, pagamintos naudojant šią technologiją, išlaikė NASA testus. 2013-ųjų metų liepos mėnesį du raketos variklio inžektoriai nenusileido tradiciškai sukonstruotoms dalims ir atlaikė karštos ugnies testus, kurių metu buvo pasiekta 6000 laipsnių temperatūra Farenheito skalėje (3316 laipsniai Celsijaus) ir naudojamas ekstremalus slėgis. NASA taip pat ruošiasi į kosmosą paleisti 3D spausdintuvą. Institucija tikisi parodyti, kad dėl spausdintuvo galimybės pagaminti reikiamas dalis skrydžio metu, astronautai neturėtų su savimi gabentis didelių atsarginių dalių.

Šaunamieji ginklai

2012-aisiais JAV įsikūrusi grupė „Defence Distributed“ atskleidė planus sukurti veikiantį plastikinį ginklą, kurį atsisiųstų ir atkurtų bet kas, turintis 3D spausdintuvą. „Defence Distributed“ taip pat sumodeliavo 3D spausdintuvu spausdinamą AR-15 tipo šautuvo žemesnįjį uoksą (gebantį atlaikyti daugiau nei 650 šūvių) ir 30 šūvių atlaikančią M16 karabino dėtuvę. Greitai po „Defense Distributed“ sėkmės modeliuojant savo pirmą veikiantį planą plastikinio 3D ginklo gamybai 2013 m. gegužę, Jungtinių Valstijų valstybės departamentas pareikalavo jų pašalinti visas ginklų konstravimo instrukcijas iš internetinio puslapio.

Po „Defense Distributed“ planų atskleidimo, buvo iškelti klausimai apie 3D spausdinimo ir jo plėtros tarp vartotojų pasėkmes ginklų kontrolės efektyvumui.

Jungtinių Valstijų nacionalinio saugumo departamentas (angl. Department of Homeland Security) ir Bendras regioninis žvalgybos centras (Joint Regional Intelligence Center) paskelbė memorandumą, skelbiantį, kad „svarbi trimačio spausdinimo galimybių pažanga, laisva 3D spausdintuvų skaitmeninių dokumentų apie ginklų komponentus prieiga ir sunkumai reguliuojant keitimąsi failais gali sukelti riziką visuomenės saugumui dėl nekvalifikuotų ginklų ieškotojų, įsigijusių arba gaminančių 3D atspausdintus ginklus“ ir kad „siūlomi įstatymai, draudžiantys 3D spausdintus ginklus, gali sulaikyti, bet ne visiškai užkirsti kelią jų gamybai. Net jei praktika yra uždrausta naujų įstatymų, skaitmeninių failų sklaidos kontrolė internete bus itin sudėtinga taip pat kaip yra sudėtinga kontroliuoti nelegalią muziką, filmus ar programinę įrangą.

Tarptautiniu mastu, kur ginklų kontrolė yra griežtesnė negu Jungtinėse Amerikos Valstijose, kai kurie apžvalgininkai teigia, kad poveikis gali būti stipriau pajuntamas dėl to, kad alternatyviniai ginklai nėra lengvai pasiekiami.  Europos valdininkai atkreipė dėmesį, kad gaminant 3D atspausdinti ginklai bus nelegalūs pagal jų ginklų kontrolės įstatymus, nusikaltėliai turės prieigą prie kitų ginklų šaltinių, o tobulėjant technologijai, padarinių rizika didės.  Brėžinių atsisiuntimų skaičius iš JK, Vokietijos, Ispanijos ir Brazilijos yra didelis.

Bandymai apriboti ginklų brėžinių išplatinimą internete yra panašūs į bergždžias pastangas sutrukdyti DeCSS, kuris įgalino DVD sklaidą, platinimą. Po JAV vyriausybės įsakymo panaikinti „Defense Distributed“ brėžinius, jie vis tiek buvo plačiai pasiekiami per The Pirate Bay ir kitus failų sklaidos puslapius. Kai kurie USA įstatymai pasiūlė 3D spausdintuvų apribojimus siekiant užkirsti kelią ginklų spausdinimui. 3D spausdinimo šalininkai teigia, kad tokios reglamentacijos būtų bergždžios, galėtų sugadinti 3D spausdinimo industriją ir sulaužyti laisvos kalbos teisę. 3D spausdinimo pradininkas profesorius Hod Lipson siūlo kontroliuoti paraką, o ne 3D spausdintuvus.

Informacijos šaltinis