Druk 3D przynosi wiele korzyści i możemy powiedzieć, że przeszedł długą drogę od czasu jego pojawienia się w latach 80-tych. Niegdyś nazywane „ szybkim prototypowaniem ” i przeznaczone do tego celu, technologie druku 3D dojrzewają do stanu, w którym nadają się do wielu innych zastosowań, w tym do produkcji części końcowych.
Silny i rozwijający się przemysł
Drukowanie 3D, nazywane też wytwarzaniem przyrostowym, funkcjonuje w szybko zmieniającym się środowisku, w którym nowe procesy, sprzęt i aplikacje są opracowywane każdego dnia. Chociaż druk 3D nie zastąpi całkowicie tradycyjnych technik produkcji, udowodnił swoje mocne strony i już zrewolucjonizował wiele sektorów przemysłu.
W tym artykule omówimy 10 najważniejszych zalet drukowania 3D i podamy kilka przykładów na to, w jaki sposób te wspaniałe technologie są wykorzystywane na co dzień.
Dostępność
Zanim zagłębimy się w bardziej wyraźne zalety tych technologii, spójrzmy na szerszy aspekt druku 3D, który jest prawdopodobnie najważniejszy ze wszystkich: dostępność. Jest to istotny czynnik w kilku zaletach na naszej liście.
Chociaż technologie druku 3D zostały po raz pierwszy opracowane w latach 80. XX wieku, niewiele wydarzyło się w ciągu kolejnych 20 lat, ponieważ wysokie koszty i surowe ograniczenia patentowe, ograniczyły ich użycie do głównie zaawansowanych zastosowań przemysłowych. W tym czasie te wręcz raczkujące technologie druku 3D ewoluowały w dość powolnym tempie.
Zaczęło się to zmieniać wraz z projektem RepRap w 2005 roku, założonym przez kilku naukowców z Wielkiej Brytanii. Pomysł polegał na opracowaniu tanich drukarek 3D z projektami open source, tak aby każdy mógł je zbudować. To był ogromny krok w kierunku dostępności i ostatecznie zapoczątkował nowy wiek w druku 3D.
Rozwój oprogramowania typu open source i większa dostępność, stały się bodźcem nie tylko do popularyzacji technologii, ale także do promowania dalszego rozwoju w tej dziedzinie. Obecnie istnieje niezliczona liczba producentów drukarek 3D i firm zajmujących się drukiem 3D, co oznacza, że praktycznie każdy może wydrukować obiekt w 3D, we własnym domu, firmie lub za pośrednictwem sklepów i usług online.
Biorąc to wszystko pod uwagę, staje się jasne, że dostępność była kluczową częścią rozwoju druku 3D, a także jedną z jego głównych zalet. W rzeczywistości pierwsze trzy zalety na naszej liście są związane właśnie z dostępnością.
Dostępność urządzeń
Obecnie drukarki 3D, to urządzenia dostępne w zasadzie dla każdego. Co więcej, w Internecie dostępne są setki szczegółowych projektów open-source, które w połączeniu z wieloma dostawcami na całym świecie pozwalają każdemu zaplanować i zbudować drukarkę 3D od podstaw, przy bardzo niskich kosztach.
Niezależnie od tego, czy zostały kupione, czy też zbudowane, desktopowe drukarki 3D są dość łatwe w użyciu, co dodatkowo zwiększa ich dostępność. Przepływ pracy wymagany do przetworzenia i wydrukowania przedmiotu jest stosunkowo prosty w porównaniu z innymi cyfrowymi technikami wytwarzania, takimi jak frezowanie CNC lub frezowanie.
Jest też druga strona dostępności: koszt. We wczesnych latach 90. drukarka 3D SLA kosztowała kilkaset tysięcy USD. 20 lat później, w 2010 roku, średni koszt drukarki 3D wyniósł około 50 000 USD, co dla większości użytkowników domowych, było nadal zdecydowanie nazbyt dużym wydatkiem.
W dzisiejszych czasach, w zależności od zastosowania, desktopowe drukarki żywiczne kosztują od kilkuset do kilku tysięcy dolarów. Na niedrogim krańcu skali znajdują się maszyny DLP, takie jak Elegoo Mars i Anycubic Photon, kosztują około 200 USD za sztukę, podczas gdy dwie najpopularniejsze drukarki FDM, Original Prusa i3 i Creality Ender 3, kosztują obecnie odpowiednio około 750 USD i 200 USD. .
Ogromna różnorodność drukarek desktopowych przeznaczonych do użytku domowego i ogromny spadek cen w ostatnich latach pokazuje, jak przystępny stał się druk 3D.
Upowszechnienie produkcji
Już dawno minęła epoka korporacji i dużych fabryk posiadających wszystkie zasoby produkcyjne. Posiadanie maszyny produkcyjnej pozwala jednostkom produkować własne towary w dowolnym miejscu. Dotyczy to większości cyfrowych urządzeń do produkcji, ale szczególnie drukarek 3D, ponieważ są one ogólnie małe i łatwe w konfiguracji.
Dodaj to do stale rosnącego zapotrzebowania na modelowanie cyfrowe, a zobaczysz, jak cały proces produkcji przesuwa się w kierunku ludzi. To spowodowało powstanie wielu małych firm produkcyjnych, które wcześniej były możliwe tylko dzięki umiejętnościom rzemieślniczym i dużym inwestycjom w fizyczną przestrzeń i sprzęt.
To upowszechnienie produkcji, wzmocniło użytkowników, a wielu hobbystów naprawia i tworzy teraz własne rzeczy, zamiast po prostu wymieniać i kupować nowe. Chociaż wielu przemysłowców czuje się tym zagrożonych, niektórzy zdecydowali się przyłączyć do tego ruchu.
Jednym z przykładów, jest firma Edelkrone zajmująca się sprzętem fotograficznym, która ma linię produktów znanych jako Ortak, wytwarzanych zarówno przez firmę, jak i przez klienta. Edelkrone produkuje i dostarcza krytyczne części, takie jak metalowe złącza i komponenty elektroniczne, jednocześnie dostarczając klientom cyfrowe modele do drukowania 3D pozostałych części produktu. Nie tylko obniża to ceny, ale także umożliwia klientom dostosowywanie projektów według własnego uznania.
Firma Radian produkująca biżuterię na zamówienie, to kolejny przykład zastosowania druku 3D do lokalnej produkcji. Berlińska firma produkuje oszałamiające pierścionki, naszyjniki i bransoletki, korzystając z druku 3D głównie na dwa sposoby: metodą odlewania z traconego wosku oraz bezpośrednio poprzez procesy stapiania w złożu proszkowym.
Zanim przejdziemy do następnej sekcji, projekt Bits & Parts również zasługuje na krótką wzmiankę w tym miejscu. Pozwala on każdemu, kto ma drukarkę FDM, prawie w całości drukować fajne krzesła na drukarce 3D. Model Maker Puzzle Chair można pobrać bezpłatnie, składa się on z kilku małych części zaprojektowanych tak, aby pasowały do większości desktopowych drukarek 3D.
Otwarta społeczność
Cała dostępność związana z drukiem 3D, nie byłaby możliwa bez praktyk projektowania open source, zainicjowanych przez społeczność RepRap. Odrodzenie druku 3D było oparte na zasadach otwartego oprogramowania, zarówno dla sprzętu, jak i oprogramowania.
Termin „open source” jest zapożyczony z modeli tworzenia oprogramowania w przypadkach, gdy kod jest dostępny dla każdego, kto może go zobaczyć, wykorzystać i co najważniejsze, ulepszyć. Umożliwia to ogólnoświatową współpracę między użytkownikami o różnym pochodzeniu i talentach.
Dzisiejsze drukowanie 3D jest nadal w dużej mierze otwarte. Firmy takie jak E3D, Prusa Research i Lulzbot udostępniają swoje rysunki i modele sprzętu każdemu, a opcje oprogramowania open source obejmują oprogramowanie układowe Marlin oraz popularny OctoPrint.
Ten sposób myślenia jest również rozszerzony na modele 3D. Platformy takie jak Thingiverse, Cults i MyMiniFactory mają tysiące bezpłatnych modeli do pobrania, które są udostępniane użytkownikom druku 3D.
Wreszcie, co nie mniej ważne, społeczność open source promowała tworzenie wielu nieoficjalnych kanałów wsparcia i zasobów edukacyjnych online, które uratowały wielu z nas, gdy mieliśmy problemy z wydrukiem.
Krótkie czasy realizacji i szybka iteracja
Jest powód, dla którego technologie druku 3D były kiedyś nazywane „szybkim prototypowaniem”. Krótki czas potrzebny do stworzenia i wyprodukowania części sprawia, że technologia ta jest idealna do szybkich iteracji projektowych.
Jest to szczególnie istotne podczas rozwoju produktu, gdzie produkt wymaga kilku weryfikacji, od koncepcji po końcowe testy funkcjonalne. Ponieważ drukowanie 3D nie wymaga żadnych specjalnych narzędzi i ustawień do produkcji części, wystarczy zmodyfikować model cyfrowy i wysłać go do drukarki 3D.
Szybka iteracja zmniejsza koszty związane z produkcją prototypów i skraca proces rozwoju, dzięki czemu produkt może trafić na rynek szybciej niż kiedykolwiek wcześniej. Możliwość łatwej iteracji między różnymi projektami, ma także wpływ na powstanie lepszego produktu, ponieważ zespół programistów może szybko i tanio weryfikować i testować proponowane zmiany.
Przemysł motoryzacyjny już od dłuższego czasu wykorzystuje tę zaletę druku 3D. Na przykład zespół inżynierów w firmie Ford polegał na drukowaniu 3D, przy tworzeniu prototypów części do nowego Shelby GT500. Inżynier ds. Wydajności Matt Titus twierdzi, że ta technologia „poprawia efektywność projektów, radykalnie skraca czas potrzebny do opracowania GT500 – i związane z tym koszty”.
Jednak szybka iteracja nie ogranicza się tylko do dużych korporacji, takich jak Ford. Nawet użytkownik desktopowej drukarki 3D, może skorzystać z tej przewagi. Tworzenie własnych części do dowolnego celu, może być dla niektórych zniechęcającym zadaniem, a możliwość łatwego modyfikowania i ponownego drukowania projektów może znacząco ułatwić to zadanie.
Geometryczna swoboda
Jedną z głównych zalet druku 3D jest możliwość tworzenia fizycznych kształtów i cech, które w innym przypadku nie byłyby możliwe do wyprodukowania przy użyciu tradycyjnych technik wytwarzania.
Metoda wytwarzania warstwa po warstwie, zapewnia geometryczną swobodę, której projektanci i inżynierowie nie są jeszcze w stanie w pełni wykorzystać. Tradycyjny sposób projektowania części i produktów opierał się na bardzo restrykcyjnych metodach produkcyjnych, takich jak frezowanie, kucie i formowanie. Aby naprawdę wykorzystać tę niezrównaną swobodę tworzenia, inżynierowie muszą naprawdę myśleć nieszablonowo.
Jednym z przykładów jest końcówka dyszy paliwowej silnika odrzutowego GE, która została całkowicie przeprojektowana z uwzględnieniem wszystkich naddatków projektowych, zapewnianych przez ich metalowe drukarki 3D. Ostatecznie 20 części tworzących końcówkę dyszy, zostało zastąpionych pojedynczą częścią wydrukowaną w 3D, która była o 25% lżejsza od poprzedniej.
Innym przykładem, w którym geometryczna swoboda była gwiazdą pokazu, są słuchawki NightHawk firmy AudioQuest. Słuchawki mają nadrukowaną maskownicę 3D, która naśladuje strukturalny wzór skrzydeł motyla, rozpraszając dźwięk i poprawiając izolację akustyczną. Dyrektor produktu Skylar Gray twierdzi, że skomplikowany projekt NightHawk nie był możliwy do wyprodukowania pięć lat temu: „Jedyny sposób, w jaki można go stworzyć, to dzisiejsze zaawansowane drukowanie 3D”.
Różnorodność i dostępność materiałów
Niektórzy mogą powiedzieć, że drukowanie 3D jest tak przydatne, jak materiały, które można przetworzyć. Zgadzamy się z tym stwierdzeniem, ponieważ większość produktów funkcjonalnych, dostępnych na rynku wymaga pewnego poziomu kontroli jakości, aby zachować zgodność z lokalnymi przepisami. Dlatego postęp technologiczny w druku 3D idzie w parze z rozwojem materiałów.
Drukowanie 3D z metalu jest obecnie dość powszechne, ponieważ umożliwia przetwarzanie wysokiej jakości stopów tytanu dla bardzo wymagających branż, takich jak lotnictwo i implanty medyczne. Ceramika stała się również popularnym materiałem do druku 3D, nie wspominając o wszystkich szeroko dostępnych zaawansowanych polimerach.
Dla użytkownika domowego dostępna jest szeroka gama materiałów, które mogą być przetwarzane przez desktopową drukarkę 3D, w tym tworzywa sztuczne z domieszką metalu, a nawet materiały z włóknem węglowym. Światowa sieć dostawców materiałów jest ogromna, od małych lokalnych producentów, po duże firmy, takie jak eSun.
Niektóre bardzo wydajne tworzywa sztuczne mogą być drukowane w 3D na specjalnie przystosowanych do tego desktopowych maszynach FDM. Tak jest w przypadku PEEK, polimeru tak odpornego na zużycie i ciepło, że w niektórych zastosowaniach przemysłowych może zastąpić metale. Chociaż wymaga to bardzo wysokich temperatur do drukowania (około 400 ° C), nie jest to coś całkowicie nieosiągalnego, ponieważ niektóre hotendy zostały opracowane w ten sposób, aby wytrzymać takie temperatury.
W przypadku SLA, jednym z przykładów specjalistycznych materiałów są biokompatybilne żywice używane w zastosowaniach dentystycznych. Są one zwykle sprzedawane przez producentów sprzętu do drukarek 3D, takich jak Formlabs i Zortrax, ale ostatnio nastąpił wzrost liczby konkurentów innych firm, takich jak NextDent.
Personalizacja
Personalizacja, którą zapewnia druk 3D, jest zdecydowanie jedną z największych zalet tej technologii. Jak wspomniano wcześniej, brak konieczności stosowania specjalnego oprzyrządowania do produkcji części umożliwia szybką zmianę i produkcję jednego projektu.
Ta elastyczność umożliwia również opłacalną produkcję masową, w której można wytwarzać spersonalizowane produkty przy zachowaniu niskich kosztów związanych z masową produkcją. Jest to potencjalny przełom w wielu branżach i powinien zapewnić klientom lepsze produkty, aby mogli wejść na rynek.
Niektóre produkty, które opierają się na personalizacji, od jakiegoś czasu wykorzystują procesy drukowania 3D. Na przykład, Invisalign produkuje ponad 320 000 przezroczystych nakładek każdego dnia, przy użyciu drukowanych w 3D form opracowanych dzięki skanowaniu 3D .
Myśląc o bardziej lokalnym środowisku, właściciele drukarek 3D mogą projektować i drukować niestandardowe części do przedmiotów codziennego użytku, takich jak spersonalizowane akcesoria samochodowe lub wykonanywane na zamówienie części zamienne do sprzętu gospodarstwa domowego, a nawet starych mebli.
Efektywność ekonomiczna
Elastyczność produkcji związana z drukowaniem 3D, zapewnia opłacalność ekonomiczną dla wielu modeli biznesowych, które w przeciwnym razie nie byłyby możliwe do wdrożenia.
Cyfrowy przepływ pracy i szybkie iteracje projektowe sprawiają, że produkcja średnio- i niskoseryjna jest możliwa w wielu branżach. Specjalistyczne produkty, takie jak ograniczone edycje i produkty o niskim popycie, można wytwarzać po niskich kosztach, dzięki drukowaniu 3D, otwierając wiele możliwości w różnych sektorach handlowych.
Technologie druku 3D zapewnią jeszcze większe korzyści ekonomiczne, jeśli zlecane na zewnątrz części i narzędzia, zaczną być produkowane we własnym zakresie. Ponadto elastyczne systemy produkcyjne mają mniejsze wymagania dotyczące zapasów, zwłaszcza biorąc pod uwagę krótsze czasy realizacji zapewniane przez drukowanie 3D.
Produkcja na żądanie zarówno towarów, jak i części zamiennych stanie się normą w niektórych branżach w najbliższej przyszłości. Kilka firm już wpisuje się w ten trend. Producent samochodów sportowych Porsche dostrzegł potencjał w drukowaniu 3D. Nie tylko jest to tańsze rozwiązanie produkcyjne dla Porsche, ale wielu kolekcjonerów klasycznych samochodów może teraz pozyskiwać części bezpośrednio od producenta, zamiast przeszukiwać świat w poszukiwaniu trudnych do znalezienia części.
Mniejsza ilość odpadów
Techniki produkcyjne, takie jak obróbka CNC, stały się znane jako produkcja subtraktywna, w przeciwieństwie do wytwarzania przyrostowego, w którym części są budowane poprzez dodawanie materiału warstwa po warstwie. Produkcja subtraktywna wiąże się z nieodłącznymi odpadami, ponieważ ostateczną geometrię uzyskuje się jedynie poprzez usunięcie materiału z „zapasu”.
W zależności od złożoności części, tylko niewielka część materiału wyjściowego stanie się ostatecznie częścią lub produktem, a reszta zostanie zmarnowana, ponieważ opcje recyklingu są rzadkie. Straty związane z drukowaniem 3D są minimalne, często związane z konstrukcjami wsporczymi.
Techniki optymalizacji komputerowej, takie jak optymalizacja topologii i projektowanie generatywne, pozwalają inżynierom projektować bardziej wydajne części przy użyciu mniejszej ilości materiału. W praktyce przeprojektowana część może być jeszcze mocniejsza niż poprzedni model, nawet przy mniejszym zużyciu materiału.
Chociaż zoptymalizowane geometrie są bardzo złożone, można je teraz wytwarzać dzięki drukowaniu 3D. Niektóre firmy, takie jak producenci samolotów, są tym szczególnie zainteresowane, ponieważ redukcja masy przekłada się na bezpośrednie oszczędności paliwa w samolotach.
Szeroki zakres zastosowań
Do tej pory powinno być więcej niż jasne, w jaki sposób druk 3D zyskał popularność w wielu branżach na całym świecie. Wszystkie zalety wymienione w tym artykule przyczyniają się do tego, że szeroki zakres zastosowań, nadal się rozszerza.
Dostępność i elastyczność zapewniane przez procesy drukowania 3D, były często wspominane w tym artykule, być może są to cechy, które najbardziej wyróżniają się na tle innych procesów produkcyjnych, do których jest przyzwyczajony przemysł. Głównie ze względu na takie cechy, technologie druku 3D są tak różnorodnie stosowane w sektorach od zdrowia, po produkcję samolotów.
Fakt, że istnieje wiele różnych technik druku 3D, również przyczynia się do tak szerokiego zakresu zastosowań: SLA dla biżuterii i stomatologii, SLS i SLM dla inżynierii oraz stary dobry FDM, znany i lubiany przez wielu hobbystów. Możliwości są nieograniczone, a przyszłość druku 3D wygląda jaśniej niż kiedykolwiek.
Źródło głównego zdjęcia: David McNally via US Army
