Vad är 3D-tryckteknologi - hur det fungerar, applikationer och hinder

Dessa revolutionerande skrivare syns alltmer i våra vardagsliv:

Guns. Under 2013 designade, skapade och tryckte en självförklarad "krypto-anarkist" Cody Wilson en plastpistol med 3D-tryckteknik. Cody sköt ett skott och distribuerade CAD-filer för pistolen över Internet. Det fanns mer än 100 000 nedladdningar innan den amerikanska regeringen stängde webbplatsen. I maj 2014 arresterades Yoshitomo Imura i Japan för besittning av fem tryckta 3D-vapen.
kosmetika. Vid utställningen TechCrunch Disrupt i New York i maj 2014 demonstrerade Harvard MBA-examen Grace Choi Mink, en 3D-skrivare som kostar mindre än $ 200 som kombinerar FDA-godkänt bläck med en mängd olika underlag för att skapa alla typer av smink, från pulver, till grädde, läppstift. Enligt Choi: “Stora sminkföretag tar pigmentet och underlaget och blandar dem ihop och höjer sedan priset. Vi gör samma sak och låter dig få sminket i ditt eget hus. ”
Kroppsdelar. Enligt en rapport från TIME-magasinet från 2013 snider 3D-skrivare redan ut kroppsdelar som öron och näsor från kroppsceller. På ett tidigt stadium lovar tekniken för kosmetisk och plastisk kirurgi.
Mat. Massachusetts Institute of Technology har utvecklat en 3D-skrivare för mat som kallas "Cornucopia", och French Culinary Institute har använt den Cornell-utvecklade FabatHome för matlagning. Kanske rymdålderns replikatorer som avbildas i "Star Trek" inte är så långt i framtiden som vi kanske tror.
Forensics & Archaeology. I TV-serien "CSI: New York" används 3D-utskrift för att replikera en kula i en kropp för att undvika operation. Arkeologer kan replikera bräckliga artefakter för studier utan att skada de ursprungliga ovärderliga objekten. Besökare till Discovery Time Square King Tut Exposition kunde till exempel se en nästan identisk 3D-tryckt kopia av mamman av företaget Materialize.

Michelangelo förklarade en gång att varje stenblock har en staty i sig, och det är skulpturens uppgift att upptäcka den. När konstnären förstår den tredimensionella bilden han söker, är hans uppgift att noggrant spånga bort det främmande materialet för att avslöja den dolda strukturen. Om Michelangelo hade kunnat använda en 3D-skrivare, hade hans kreativa process varit exakt motsatt: att börja med ingenting och gradvis skapa sin mentala bild genom att lägga till substans tills den form han sökte var fullständig.

Så fungerar 3D-utskrift

Begreppet "3D-utskrift" är en felaktig anmärkning, eftersom det är liten likhet med tvådimensionell utskrift där bläck appliceras på papper. Processen liknar emellertid tryckningen, eftersom resultatet är ackumulering av olika lager av material som lagras i följd i olika former för att skapa ett fast tredimensionellt objekt. En mer exakt beskrivning skulle vara "tillsatsstillverkning", en annan metod för att skapa än traditionell tillverkning som bygger på avlägsnande av fast material från en större oformad massa.

Processen börjar med en datorstödd design (CAD) eller en 3D-skanner för att översätta en modell till digitala tredimensionella mätningar. Med användning av det valda materialet (flytande, pulver, papper eller arkmaterial) sätts flera tunna skikt på plats och smälts samman genom uppvärmning, härdning, centrering, laminering eller fotopolymerisation för att göra ett enda enhetligt objekt.

3D-tryckteknologi har utvecklats under det senaste tredje århundradet; en 2014 Patent Insight Pro-rapport listade cirka 2 635 patent relaterade till 3D-tryckteknik som har utfärdats sedan början av 1970-talet. Medan varje patent kan vara specifikt beträffande dess påståenden och motivering för att motivera utfärdandet av ett patent, kan de i allmänhet kategoriseras baserat på följande:

Teknologiprocess identifierad. Det finns för närvarande 33 olika processer som används i 3D-utskrift, allt från fused deposition modellering (FDM) - ett förfarande för uppvärmning av termoplastmaterial till semi-vätsketillstånd, sedan strängsprutning av det lag för lager längs en datorstyrd väg - till stereolitografi, en process där en ultraviolett laser härdar ett skikt av flytande fotopolymer när det höjs eller sänks av en plattform nedsänkt i en behållare med flytande polymer liknande applicering av beläggning efter färgbeläggning tills de flera skikten resulterar i den färdiga delen.
Material som anges i patentet. Hittills täcker de utfärdade patenten 45 olika material inklusive keramik, lera, palladium, papper, gummi, silver, titan och vax.
Användning eller applikation. Vid sista räkningen fanns det minst 22 kommersiella tillämpningar av 3D-tryck, inklusive bygg-, försvars- och livsmedelsindustrin.

Tillståndet för 3D-tryckindustrin

Många branschobservatörer hävdar att bristen på penetration till massmarknader hittills berodde på omfattande patent från olika företag och sannolikheten för immateriella rättigheter. Enkelt sagt har företag inte använt resurserna för att utnyttja tekniken eftersom de är rädda för att bli stämda.

Denna konkurrensbarriär har hållit nya aktörer ut ur marknaden och priserna höga. faktiskt för högt för att stödja konsumentapplikationer på massmarknaden. Med många av patenten som täcker basteknologi som har upphört att gälla 2013 och mer för att löpa ut 2014 och 2015, är det troligtvis en explosion av nya produkter och en minskning av utrustningspriser som liknar nedgångarna i annan elektronisk hårdvara som tv-apparater, datorer och mobiltelefoner. De lägre priserna kommer att ge tillgång till konsumenter på bred basis för första gången.

Enligt Pete Basiliere kommer bly Gartner-analytiker av 3D-utskrift, en övertygande konsumentapplikation - något som bara kan skapas hemma av en 3D-skrivare - senast 2016 och har en liknande inverkan på 3D-skrivare som kalkylbladet för datorn eller tillägg av en kamera till en mobiltelefon. En rapport från Gridlogics Technologies projicerar att tekniken kommer att bli en massmarknadspost eftersom den kommer att göra det möjligt för konsumenter att ersätta eller skapa vanliga hushållsobjekt som nu produceras med traditionella tillverkningsmetoder och inkluderar tillhörande kostnader för marknadsföring, logistik och lagerunderhåll. Charles W. Hull, skaparen av den första 3D-skrivaren i mitten av 1980-talet och medgrundare och teknikchef för 3D Systems, förutspår att branschen kommer att bli en verksamhet på 4,5 miljarder dollar i slutet av detta decennium.

Tillämpningar av 3D-utskrift

Den framtida användningen av 3D-utskrift upptäcks fortfarande. Följande är bara några av de nuvarande applikationer som pågår och som troligen kommer att användas i allmänhet först.

1. Medicinsk
Enligt CNN används 3D-skrivare redan av forskare för att skriva ut små remsor av organvävnad (bioprinting) samt ansiktshängen (öron och näsor). Utskrivna organ som en njure eller lever - nästa steg i teknologinutvecklingen - kan initialt användas för läkemedels- och vaccintestning och i slutändan producera välbehövliga organ för transplantationer.

Basiliere säger: "3D-bioutskriftsanläggningar med förmåga att skriva ut mänskliga organ och vävnad kommer att gå långt snabbare än allmän förståelse och acceptans av konsekvenserna av denna teknik." Som svar hävdar Mike Titsch, chefredaktör för 3D Printer World, ”Många stora medicinska genombrott har lidit moraliskt motstånd, från organtransplantationer till stamceller. Kommer bara de rika att ha råd med det? Leker vi Gud? I slutändan tenderar att rädda liv att trumma alla invändningar. ”

2. Konstgjorda lemmar
Studenter vid Washington University utvecklade en protesarm för en 13-årig flicka som hade tappat lemmet i en båtsolycka. Även om det inte var så avancerat som andra proteser, var kostnaden för $ 200 för material betydligt under $ 6000-kostnaden för liknande enheter, en faktor som utesluter utbredd tillämpning i många företag.

Kylie Wicker från Rockland, Illinois, född utan fingrar på sin vänstra hand, fick en operativ uppsättning plast 3D-tryckta fingrar för en kostnad av $ 5 och designad av en gymnasiet ingenjörsklass. En kanadensisk professor arbetar med en 3D-tryckprocess för att göra proteslemmar som ska skickas till Uganda för offer för deras ihållande inbördeskrig.

3. Mode
Mode har använt 3D-tryck för att skapa visuellt fantastiska klänningar och tillbehör som presenteras på banorna för New York Fashion Week 2013, liksom en unik "rök" -klänning som presenterades vid Frankfurt International Motor Show 2013. Rökklänningen skapar automatiskt en slöja med rök närhelst någon träder i bärarens personliga utrymme.

Lady Gaga bar världens första flygklänning, Volantis, en annan 3D-tryckt klänning, på ArtRave 2013. Continuum erbjuder världens första klara att använda, helt 3D-tryckt bikini, N12, uppkallad efter materialet från vilket det är tillverkat: Nylon 12.

4. Prototyper och testmodeller
Oxfam International, en internationell sammanslutning av 17 organisationer som arbetar för att hitta praktiska, innovativa sätt för människor att lyfta sig ur fattigdomen, samarbetade med MyMiniFactory.com för att utveckla innovativa mönster för att lösa problemen med vattenhygien i tredje världsländerna. Konstruktioner kan snabbt skrivas ut, testas och modifieras innan de flyttas till massproduktion. Även om det fortfarande är tidigt i processen, tror sponsorerna att snabb testning av nya enheter och efterföljande modifieringar som är möjliga med 3D-utskrift kommer att bli framgångsrika i sådana humanitära projekt som hand sanitetsanordningar för de nuvarande 2,4 miljoner syriska flyktingarna som lever under trånga, osanitära förhållanden.

Den italienska uppfinnaren Enrico Dini har utvecklat en 3D-skrivare, känd som D-Shape, som binder sandpartiklar för att skapa sedimentär sten. Skrivaren sägs tillåta byggandet av en byggnad fyra gånger snabbare än konventionella medel för hälften av kostnaden. Urbee, en hybridbil designad av Kor Ecologic, är en tvåsitsplats som får upp till 200 mil per gallon med en uppskattad kostnad på cirka 20 000 dollar och tillverkas helt och hållet med 3D-tryckning.

5. Personligt bruk
Människor kommer att kunna skriva ut anpassade smycken, hushållsartiklar, leksaker och verktyg i vilken storlek, form eller färg de vill ha, samt kunna skriva ut reservdelar hemma, snarare än att beställa dem och vänta på att de ska levereras . Enligt forskningsföretaget Strategy Analytics kan 3D-tryckning av hemmaplan utvecklas till en industri på 70 miljarder dollar per år år 2030.

3D-skrivare för mat kan till och med slutligen lösa problemet med att få barn att äta sina grönsaker, eftersom föräldrarna har förmågan att forma dem till alla slags former. Kanske kan en finare litet barn övertygas om att äta brysselkål om de var beredda i form av en dinosaurie.

Hinder för 3D-utskrift

Trots att löften om 3D-skrivare är betydande finns det lika betydande hinder som måste övervinnas innan det når förväntningarna från industrins förespråkare.

1. Brist på enkla, billiga konsumentskrivare
3D-skrivare som säljer för mindre än 1 000 dollar har begränsad kapacitet, kan vara svåra att använda, kan vara opålitliga och kan kräva handmontering för att använda. Även om dessa defekter så småningom kommer att övervinnas, kan det ta betydande test-och-fel och tid innan en prisvärd konsumentmodell finns tillgänglig.

En artikel i strategi + verksamhet från 2013 konstaterar att "oberoende av hur billig en 3D-skrivare blir kommer en tillverkningsanläggning att fortsätta att erbjuda omfattande ekonomier i råvaror för att skriva ut artefakten." Artikeln ifrågasätter också om en konsument kommer att använda en 3D-skrivare hemma för att göra en plastgaffel eller schackbit om han eller hon kan köpa den från den lokala Walmart.

2. Brist på lämpliga material för utskrift
Skrivare som för närvarande är tillgängliga till konsumentpriser (2 500 USD och mindre) förlitar sig på smält avsättningsmodelleringsteknik och PLA- och ABS-plast. Detta material är inte stabilt och är begränsat i användbarhet. Experter tror att nästa generation kommer att behöva använda kolkompositer och metaller om det ska vara användbart för den genomsnittliga konsumenten.

En artikel i 2014 i Storbritanniens The Telegraph lurar på förespråkare för den nya tekniken som utropar så ljusa framtider och noterar att även framgångsrika 3D-skrivare "skapar modeller som ser ut som om de har lämnats på radiatorn några timmar." Författaren konstaterar att även om det är väldigt bra att ladda upp vapendelar till Internet, men utan sättet att göra metall (en kapacitet som 3D-skrivare för konsumenter ännu inte har), är det mer troligt att du tar av dig armen än skjut en kula. ”

3. Behov av kunskap om CAD-design
Medan nedladdningsbara filer för olika objekt finns tillgängliga från sajter som Thingiverse och Shapeways, är de i allmänhet tekniska och kanske inte kompatibla med alla 3D-skrivare. På grund av marknadsföringshypen kring skrivarna kan de beskrivas som enklare att använda än de faktiska användarnas upplevelse.

Tom Meeks, en bidragsgivare till bloggen för 3D-skrivare-användare, konstaterar parallellen mellan 3D-skrivare och Keurig-kaffebryggarsystemet och vikten av konsumentdesign och användarvänlighet och noterar att det tog Keurig 16 år att få det marknads acceptans som det har idag. Och det bör inses att det finns mycket fler kaffedrinkare än potentiella 3D-skrivare. Marknadsexperter anser att skrivarna måste vara lika enkla att använda som konventionella laser- eller prickmatrisskrivare om de ska hitta bred acceptans.

4. Långsam, rörig och potentiellt farlig
Medan de är perfekta för enstaka eller komplicerade, dyra föremål, är skrivarna för långsamma för masstillverkning. Materialen som används och deras utsläpp under användning, särskilt pulver, kan vara röriga och potentiellt giftiga. Slutligen fungerar nuvarande 3D-skrivare som använder PLA-plast vid mycket höga temperaturer (220 till 230 grader). Även om dessa problem inte är oöverstigliga, kommer det att ta tid och investeringar att övervinna.

Slutord

Huruvida 3D-skrivare kommer att påverka TV: n, datorn eller mobiltelefonen som förväntat av dess förespråkare är okänt. När tekniken utvecklas är möjligheterna och fördelarna oändliga. Det är verkligen en teknik som en skarp konsument skulle vara medveten och redo att använda när den mognar och blir en konsumentprodukt.

Vad tror du? Är du intresserad av att äga en 3D-skrivare?