3205

Рис. 3. Зависимость «Ось колеса 2 и плоскость (YZ) параллельная ейи параллельная оcи колеса 1»

После наложения таких зависимостей можно потянуть за зубья одного колеса, второе будет поворачиваться.

Таким образом коническую пару можно вставить на вал редуктора и получить наглядное движение механизма.

Воронежский государственный технический университет

81

УДК 621

О.В. Шкодкина

ПРИМЕНЕНИЕ 3D ПРИНТЕРОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ДИЗАЙНА И ПРОИЗВОДСТВА

В работе рассмотрены технологии, дающие возможность человечеству любоваться продуктами своего труда, полученными в системах твердотельного моделирования, не только на экранах мониторов, но и потрогать их руками. Это стало реальным с помощью 3D принтера.

Технология 3D печати стала реальностью. За последние 3-4 года в этой области наметился существенный технологический прорыв, который превратил 3D принтер из дорогой игрушки и экспоната выставок в инструмент дизайнера, конструктора и технолога. Так эксперты влиятельного журнала «Economist» назвали технологию 3D печати третьей индустриальнойреволюцией, которая тихо и незаметно происходит прямо у нас на глазах. И пока некоторые страны по «старинке» инвестируют значительные средства в «традиционное» производство, лидеры промышленности осознали масштаб предстоящих перемен [1].

Есть основания считать, что ведущие производители США в ближайшей перспективе вернут производство на свою территорию взамен традиционного, но это будут главным образом высокотехнологичные и универсальные технологии на базе 3D печати [1].

3D печать - это процесс, посредством которого специализированная машина создает трехмерный объект путем наращивания тонкого слоя материала в соответствии с заранее разработанной цифровой формой.

Первый 3D-принтер был создан Чарльзом Халлом в середине 1980-х. Он использовал технологию, называемую стереолитография, в которой ультрафиолетовый лазер направлялся в емкость с фотополимером, повторяя профиль объекта, который будет создан на его поверхности. Полимер затвердевает там, где луч касается его, и луч "печатает" объект слой за слоем в соответствии с инструкциями, созданными в CAD / CAM системах.

Халл основал компанию под названием 3D Systems, которая производила машины для стереолитографии. Сегодня 3D Systems реализует 3D-принтеры, которые используют различные техноло-

82

гии, а линейка принтеров представлена как комплектами начального уровня, так и профессиональными промышленными образцами.

Рассмотрим некоторые наиболее яркие примеры реального применения 3D печтати в различных отраслях.

3D – печать в архитектуре.

Физическая модель позволяет заказчику более полно понять и прочувствовать архитектурный замысел, эффективно оценить детали и масштаб проекта. Очень важно, что физическая модель позволяет архитекторам говорить на языке, понятном заказчику, – даже самому далекому от архитектуры. Клиент же получает возможность оценить проект на эмоциональном уровне, воспринять его с учетом всех тонкостей.Искусство ручного изготовления архитектурных моделей трудоемко, и, само по себе, превращается в отдельный проект. В быстро меняющемся мире цифрового моделирования полагаться на ручное изготовление приближенных моделей – старомодное и слишком дорогое удовольствие.

Рис. 1. Модель архитектурно-ландшафтного дизайна береговой линии в Сан-Диего

Когда на рынке появились 3D – принтеры проектировщики вдруг смогли позволить себе регулярно использовать наглядные 3Dмакеты на самых ранних этапах проекта.

83

а)

б)

Рис. 2. Архитектурно-ландшафтный макет аэропорта а) и макет здания б)

Цена макета, сделанного вручную, может достигать нескольких тысяч долларов, цена такого же макета, распечатанного на 3Dпринтере, составляет всего 2-3 доллара за кубический дюйм.

При выполнении средних и больших проектов расходы на изготовление макета окупаются практически сразу. Зачастую очень быстро окупается и сам аппарат: если, например, на самом раннем этапе проекта благодаря модели удалось обнаружить серьезную ошибку или компания стала победителем тендера, представив свой проект в самом выигрышном свете. При том, что изготовление

84

строительных макетов на 3D-принтерах – относительно новое направление, большинство клиентов – архитекторы: именно они получают отдачу от принтера с самого первого дня работы.

3D – печать в медицине.

С помощью 3D-печати можно изготовить и элементы протеза, необходимые для использования в ортопедии или стоматологии. Так, в начале 2012 года 83-летней женщине из Голландии вместо челюсти, разрушенной раком, имплантировали титановую челюсть, отпечатанную целиком на 3D-принтере. А американской девочке Эмме, напечатали элементы экзоскелета. Они дали ей возможность играть, рисовать и обнимать родителей.

Рис. 3. Зубные протезы, сделанные с помощью 3D-ринтера

Уже сейчас можно получить четкую копию, например, человеческого черепа. Исходный объект послойно сканируется, затем «переводится» на язык многоугольников, и с помощью 3D-принтера его можно воссоздать с заданной точностью.

Рис.4. Череп, выращенный на 3D-принтере

Летом 2012 года вышла статья, где биотехнологи из университета Пенсильвании, Гарварда, Массачусетского технологического института и Кембриджа рассказали, как они выращивали печень на 3D – принтере. Ученые заряжали картридж 3D-принтера клетками вместо чернил и наращивали ткань на каркас из сахарных трубочек, которые подменяют собой сеть кровеносных сосудов. Отпечатанные трубочки образуют «скелет» будущей печени или другого органа.

85

Его заливают гелем, содержащим живые клетки крысиной печени. Специальные белковые молекулы «привязывают» клеткик стенкам трубочек – так получаются заготовки капилляров. После этого авторы прокачивали по трубочкам питательную жидкость, имитирующую кровь. Растворяя сахар, эта жидкость избавляетискусственную ткань от «строительных лесов» и одновременно не дает клеткам проголодаться. Пока трехмерная печать не используется в медицине повсеместно, но у данного направления есть большой потенциал [2].

Используя медицинские изображения, такие как результаты компьютерной томографии, эти 3D - принтеры могут построить полупрозрачные модели, сделанные с вариациями из акриловой смолы, что позволяет хирургам понять внутреннюю структуру печени и почек — в частности, направление кровеносных сосудов или точное местоположение опухоли.

Более реалистично выглядящие модели, сделанные частично из поливинилового спирта, впитывают влагу и повторяют фактуру реальной печени человека, что делает их более подходящим для резки хирургическим ножом.

3D – печать одежды и обуви.

Нью-Йоркский дизайнер Майкл Шмидт и архитектор ФрэнсисBitonti напечатали на 3D – принтере платье для популярной танцовщицы бурлеска Диты фон Тиз. Платье было сделано с использованием селективного лазерного спекания. Участки платья состояли из слоев порошкообразного пластика, при помощи лазера они были объединены в необходимую форму.

Недавно, фирма Shapeways их Голландии, которая постепенно набирает обороты благодаря технологии 3D принтеров и 3D печати, представила новый материал, который похож по своему составу на мягкий пластик. Такой материал помогает в создании самых разных изделий, которые базируются на 3D моделях. Такой эластомер получил название ElastoPlastic, и он невероятно хорошо подходит для печати одежды и обуви.

86

Рис. 5. Платье, напечатанное на 3D-принтере

На данный момент такой эластомер доступен лишь в одном цвете, который получил название «белая ночь». По-простому этот цвет можно назвать бежевым. Главными его характеристиками является очень высокая эластичность и прочность. Также следует отметить так называемую память формы. Эта способность помогает изделию возвращаться в заданное состояние. Такая характеристика очень важна для обуви, например.

При печати обуви и одежды, толщина изделия не должна быть меньшей пяти миллиметров, так как в таком случае изготовленное изделие не будет обладать достаточно прочными качествами.

Рис. 6. Обувь, напечатанная на 3D-принтере, с использованием новых материалов

При условии удачного истечения исследований, в скором времени такой материал позволит любому желающему печатать одежду и обувь для себя собственноручно.

87

К слову, сама фирма Shapeways уже имела опыт в печати одежды на 3д принтерах. Их опыт был связан с печатью женских платьев. Поэтому можно готовиться к настоящей революции в мире технологий и моды в ближайшее время [3].

Пищевые 3D – принтеры.

Принтер, который делает любимую мексиканцами пищу — буррито. В качестве основы он использует свежие блинчики, которые затем автоматически наполняются различной начинкой в разных сочетаниях и пропорциях, что в сумме даѐт возможность производить различные буррито.

Рис.7. Burritobot 3D-printer

Похожий 3D-принтер создан экспертами от Французского Кулинарного Института. Отличительная особенность этого проекта

— попытка достичь максимальной универсальности, позволяя печать практически любую еду, при этом создавая любой еѐ дизайн и позволяя использовать собственные пищевые компоненты. Данный принтер использует съедобные (пищевые) чернила и электронную систему послойной печати. Кроме кондитерских изделий, на таком принтере были успешно распечатаны более плотные продукты, например, классический гамбургер, наполненный кетчупом и горчицей.

Выделяют две большие и принципиально разные группы.

88

Первая - это относительно обычные принтеры, которые используют кондитерские наполнители и полуфабрикаты, разное сочетание и режимы приготовления которых и приводит к тому, что на выходе получаются разные продукты.

Рис. 8. Шоколадная клавиатура, изготовленная на 3Dпринтере

Вторая - наиболее интересная разновидность — это высокотехнологические химические принтеры, которые будут синтезировать нужные вещества прямо «на лету» (упаковывая их практически в любую внешнюю форму).

3D – принтеры для военного или аэрокосмического применения.

Современные 3D-принтеры способны производить не только еду и всякие декоративные безделушки. Например, оказалось, что экономически целесообразно производить таким способом целые ракетные двигатели. Более того, таких проектов сейчас ведѐтся уже несколько, в том числе есть подобный принтер и у NASA.

Группа разработчиков под руководством Коди Уилсона(CodyWilson) демонстративно выбрала для клонирования самое популярное в США оружие (М-4), чтобы продемонстрировать перспективность технологии 3D-печати и их доступность практически для любых целей. Если в 2011 году такие образцы были скорее одноразовыми, то последние «печатные» экземпляры оружия становятся всѐ более надежными и настоящими.

89

Рис. 9. Оружие, выращенное на 3D-принтере

3D – принтеры в искусстве.

В таких тонких вещах, как искусство и творчество, 3Dпринтерам делать уж точно нечего. На самом деле всѐ обстоит с точностью наоборот: эти принтеры начинают своѐ массированное наступление даже в этой иррациональной сфере человеческого бытия.

Например, вЯпония 3D-печать вытесняет обычные памятные фотографии. Во всех крупных городах Японии установлены специальные 3D-фотобудки (синтез технологий 3D-сканера и 3Dпринтера), которые позволяют вместо уже привычной фотографии получить свою трехмерную статуэтку-фотографию с потрясающей детализацией. А за дополнительную плату вас «оденут» в виртуальную одежду определенной исторической эпохи или изобразят воинствующим викингом, используя вашу трѐхмерную модель полученную после предварительного трехмерного сканирования.

Рис. 10. Трехмерные статуэтки

Говоря о фантастике — вот уж где 3D-принтинг используется сейчас на полную катушку. В настоящий момент, Голливуд не

90