Изобретения, которые изменили мир

Введение Наша работа посвящена достаточно новому продукту современных информационных технологий - 3D принтер. Казалось бы, тема проекта: "Изобретения, которые изменили мир", а мы в качестве объекта исследования выбираем технологию, которая только входит в жизнь человека. В проекте нас трое, у каждого свои интересы и найти то, что было бы интересно всем троим, оказалось сложно. Но мы справились! Однако, мы решили рассматривать изобретение, относительно которого ещё нет общего мнения о влияние его на развитие человечества. Основным вопросом нашего проекта мы выделили следующий: Как может изменить мир 3D Принтер? Цели и задачи Цель проекта: изучить 3D принтеры с точки зрения его роли в будущем человека. Задачи проекта: Проследить развития технологии 3D печати Определить основные особенности технологии Рассмотреть возможные перспективы использования 3D принтеров в различных сферах деятельности человека История технологии 3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Создатель 3d принтера Чак Халл Чак Халл является соучредителем, исполнительным вице-президентом и главным техническим директором компании 3D Systems. Именно он изобрел технологию стереолитографии (3D печать), первую в мире коммерческую технологию быстрого прототипирования, а также STL формат файлов. Ему принадлежит свыше 60 патентов США, а также другие патенты по всему миру в области ионной оптики и быстрого прототипирования. Журналист CNN встретился с Чаком Халлом во Франкфурте, Германия, чтобы обсудить невероятное изобретение и нынешние достижения 3D печати. В 1983, когда у него возникла идея об использовании УФ технологии, ему предоставили для экспериментов маленькую лабораторию. Во время ранних экспериментов, когда материалы застывали и превращались в твердые, это приводило к сокращению и искажениям. Сегодня же, процесс значительно усовершенствовался, как рассказывает Халл. «Все произошло буквально за последние несколько лет – я имею в виду развитие, распространение и признание. Этому поспособствовало множество факторов, я считаю: достижения в сфере медицины; движение изобретателей, растущий интерес среди арматоров и изобретение недорогих устройств, новых методов 3D печати». Что происходило с Чаком последние 30 лет? «Что же, всем известно, что мне уже немало лет и я должен был бы уже давно выйти на пенсию, но я этого не сделал. Мне нравится заниматься тем, что я делаю». Технология 3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта. Технологии, применяемые для создания слоев Лазерная Лазерная стереолитография — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик. Лазерное сплавление — при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали. Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали. Струйная Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта. Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета. Склеивание или спекание порошкообразного материала — похоже на лазерное спекание, только порошковая основа (подчас на основе измельченной бумаги или целлюлозы) склеивается жидким (иногда клеющим) веществом, поступающим из струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя вещества различных цветов. Существуют образцы 3D-принтеров, использующих головки струйных принтеров. Густые керамические смеси - применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей. Биопринтеры — печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится стволовыми клетками. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта. Технологии позиционирования печатающей головки Декартова В конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели. При помощи трёх параллелограммов Три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке. Расходные материалы Лазерная стереолитография (SLA) — объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего, объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя. Селективное лазерное спекание — объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл) путем его плавления под действием лазерного излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (обычно специальным выравнивающим валиком), после чего лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта. Затем платформа опускается на толщину одного слоя и на неё вновь наносится порошкообразный материал. Данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, за счет заполнения пустот порошком. Для уменьшения необходимой для спекания энергии, температура рабочей камеры обычно поддерживается на уровне чуть ниже точки плавления рабочего материала, а для предотвращения окисления, процесс проходит в бескислородной среде. Электронно-лучевая плавка — аналогична технологиям SLS/DMLS, только здесь объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме. Моделирование методом наплавления — объект формируется путем послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подаётся в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается на толщину одного слоя, чтобы можно было нанести следующий слой. Часто в данной технологии участвуют две рабочие головки — одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая — материал поддержки. Изготовление объектов с использованием ламинирования — объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала, с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое. За счет отсутствия пустот, данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, однако, удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) в некоторых ситуациях может вызывать затруднения. Область применения и перспективы 3D принтеров Образование Применение трехмерной печати в сфере образования дает возможность легко и быстро получать разнообразные наглядные пособия для учащихся, которые могут распространяться в средних и высших учебных заведениях. Оснащение 3D принтерами учебных заведений может поспособствовать увеличению отдачи от образовательного процесса и быстрому усвоению материала учениками. Благодаря трехмерной печати студенты могут работать с реальными физическими моделями, всячески манипулируя ими. Практически любые макеты или наглядные пособия можно нарисовать на компьютере в программе, после чего воплотить их в жизнь. Дизайн и производство одежды 3D печать находит свое применение в сфере высокой моды и дизайна. С помощью трехмерных принтеров дизайнеры могут быстро разрабатывать модели или эксклюзивные изделия. Некоторые модельеры уже освоили это направление и представляют свои коллекции одежды, отпечатанной на 3D принтере. Например, на парижской Неделе высокой моды модельер Айрис Ван Херпен уже представил такую уникальную коллекцию под названием «Напряжение». Впрочем, одежду, отпечатанную на принтере, пока можно увидеть только на модных вечеринках и показах. Однако можно сказать, что внедрение этой технологии в массовое производство не за горами. Архитектура Макетирование широко востребовано в различных областях человеческой жизни: архитектуре, инженерии, строительстве и дизайне. Возможности трехмерного моделирования, 3D-печати и быстрого прототипирования произвели революцию в макетировании, возведя ручное создание макетов в ранг недешевого искусства. 3D-принтеры широко используются для создания различных макетов и прототипов-визуализаций. Если сравнивать классический метод получения макета и трехмерную печать, то 3D-технология находится в более выигрышной позиции: Быстрота получения готового макета Время создания макета или концептуальной модели-прототипа составляет от нескольких минут до нескольких часов. Дешевизна производства Наиболее популярная технология прототипирования при создании макетов это 3D Printing – послойное создание объекта из гипсового композита. Этот гипсовый композит, из которого создаются модели, является самым дешевым модельным материалом для прототипирования. Полноцветная 3D-печать выращивание макетов по технологии 3DP позволяет создавать полноцветные макеты. На сегодня доступно 390 000 оттенков палитры CMYK. Любая ваша фантазия и идея легко воплотится в реальность. Высокое качество и тонкие стенки Производство макетов по технологии 3DP не всегда позволяет создать тончайшие элементы и детали микроформ. Тогда легко использовать принтеры Objet работающие по технологии PolyJet, которые могут напечатать супер-тонкий слой в 0,6 мм и даже тоньше. Доступность и простота Основное назначение макетирования - наглядное представление концепции или идеи проекта для анализа. Если создание макета в мастерской это долгий, дорогой и кропотливый труд, то создание макета с помощью 3D принтера доступно каждому. Медицина Использование 3d-принтеров в медицине, в некоторых ситуациях, становится единственным способом спасти человеческую жизнь. Например, воссоздав элементы скелета пациента для отработки приёмов, необходимых для проведения успешной операции. Еще 3д принтеры широко используются в стоматологии и протезировании. Цифровое производство коронок и протезов значительно быстрее классического производства. Материал: медицинские прототипы могут быть изготовлены из целого ряда материалов. Фотополимеры, после застывания, могут обладать различными свойствами. В зависимости от поставленной задачи, вам подойдёт один или другой. Цвет: в линейке материалов Full Cure компании Objet Geometries встречаются в том числе и полупрозрачные. У вас есть уникальная возможность напечатать не только внешнюю стенку, но и создать внутренние объёмы и ткани организма. модель уха на 3D принтере Модель кисти на 3D принтере Функциональное тестирование Использование 3d-принтеров для создания моделей для функционального тестирования - самый современный метод инновационных разработок. В некоторых случаях требуется получить будущий механизм в сборе, но произвести отдельные компоненты в единственном экземпляре слишком дорого или долго. Нам на помощь приходят компании Objet Geometries и Stratasys. Материал: для высокой детализации моделей мы рекомендуем использовать 3d-принтеры Objet. Однако, если Вам потребует тестировать непосредственно ABS-пластик, то следует задуматься о приобретении систем Stratasys. Цвет: при тестировании функционала полученного изделия цвет не так важен, однако детали легко поддаются окрашиванию. Цена вопроса Цена 3d принтера от 39 тысяч рублей до 80 миллионов рублей. Отличаются точностью построения, материалами, скоростью и размерами изготавливаемых объектов. Область применения и перспективы 3D принтеров Применение 3D принтеров Пять способов того, как 3D принтеры способны повлиять на мир Оружие в домашних условиях То, что правительство называет величайшей угрозой, может нести свободу в самом широком понимании – возможность каждому печатать оружие. Каждый тиран в истории разоружал население в свою пользу, превращая свой режим в карательную машину. Если, где бы то ни было, каждый получит возможность защищать себя и быстро мобилизоваться в ответ на растущую угрозу, любое правительство дважды подумает, прежде чем встать на путь тирании. Миролюбивые люди, коих большинство, нуждаются в оружии для собственной защиты от по-настоящему опасных индивидуумов (и правительств), а так же для разоружения последних. Новые возможности для здравоохранения Низкая стоимость оборудования означает уменьшение издержек для проведения исследований. До сих пор эта технология использовалась для протезирования костей и частей тела, для создания экзоскелетов, облегчающих ходьбу детям с врождёнными заболеваниями. Говорится и о том, что однажды люди смогут дома печатать человеческие органы на недорогих домашних устройствах. Недорогая архитектура и художественное проектирование Стоимость 3D печати в теории будет стремиться к нулю. «За последние три года стоимость 3D принтеров снизилась с 30 тысяч долларов до трёх и ниже. Пользователям доступно приложение разработчика AutoDesk под названием 123D Catch для iPhone и iPad. Пользователь может взять до 40 изображений, загрузить их в облачный сервис и получить цифровую 3D модель. Проще говоря, 123D Catch превращает мобильное устройство в 3D сканер. Сочетая программы для трёхмерного моделирования и печати, Autodesk несёт работу с 3D в массы. Создание инфраструктуры Базовая технология, предлагаемая приложениями для домашних устройств, уже используется для создания полномасштабных инфраструктурных элементов, вроде кабелей и труб, и уже предлагает некоторые заманчивые перспективы. Гражданские инженеры уже используют комбинацию сложного трёхмерного лазерного сканирования для моделирования условий функционирования деталей мостов и железнодорожных путей, измерения зазоров в них, и многого другого. С выходом 3D печати на полную мощность, мы можем увидеть поезда, мосты и другие инфраструктурные элементы, созданные за небольшую долю их сегодняшней стоимости. Это очень быстрый способ восстанавливать и чинить инфраструктурные элементы при дефиците бюджета в условиях финансовых неурядиц. Уменьшение промышленных выбросов Еще одной интересной возможностью 3D печати является замена большого количества цемента, применяемого в процессе строительства, на вещество, называемое «каменный спрей». По утверждению создателей этой субстанции, строить здания можно буквально из земли. Используя послойную технологию трёхмерной печати, основу строения можно возвести с минимальным использованием цемента, одного из наиболее загрязняющих окружающую среду элементов строительства. Предлагаемая технология даёт преимущества в решении одной из насущных экологических проблем. Так же снижается потребление энергии, можно использовать даже солнечную, что снизит производственные издержки, как для государственного, так и для частного сектора. Ожидается, что количество исследовательских проектов вроде «каменного спрея» в ближайшем будущем сильно возрастёт. Пять способов того, как 3D принтеры способны изменить мир к лучшему Заключение Представьте себе, помимо масштабных возможностей, 3D-принтеры в каждом доме всего через несколько лет и легко загружаемые характеристики почти для всех основных предметов обихода. Можно распечатать миску, чашку, тарелку, ложку или другую посуду в любое время, когда может возникнуть необходимость в кухонной утвари. Такие инструменты, как ключи или отвертки, могут быть произведены в течение нескольких минут вместе с нужными винтами, гайками и болтами. Даже часть медицинского оборудования или устройств для генерации электроэнергии, транспорт и лабораторное оборудование можно получить одним кликом. Тем не менее, у этой технологии есть и негативные стороны, необходимые к рассмотрению. Учитывая нынешнюю военно-промышленную систему, действующую на большей части планеты, эта технология уже находится не в тех руках, и для блага человечества важно сохранить её доступность для всех. Авторы-составители работы Алибеков Магомед Валиев Александр Караянов Алим