Сфери використання технологій 3D-друку

Вівторок 17 травня, 2022
3D Way

Сьогодні 3D-друк для багатьох людей став невід’ємною частиною життя. Із вузькоспеціалізованої та дорогої послуги він переростає у незамінного помічника для різних сфер діяльності. Завдяки 3D-друку можливі інновації та експерименти у сферах архітектури, медицини, поліграфії, а також у ювелірній справі, сувенірній продукції, функціональному тестуванню та ін.

Виробництво та машинобудування

Автомобілі

Автомобільна промисловість використовує потенціал 3D-друку вже кілька десятиліть. 3D-друк надзвичайно комфортний для швидкого створення прототипів. Він довів свою здатність значно скоротити час проектування та терміни виготовлення нових моделей автомобілів.


3D-друк також покращив виробничий процес у цій галузі. Раніше для виготовлення однієї деталі автомобіля, особливо на високопродуктивних машинах, потрібно було безліч спеціальних пристроїв та іншого оснащення, що збільшувало вартість і робило процес в цілому складнішим.

За допомогою 3D-друку можна створювати індивідуальне оснащення та інші малосерійні деталі. Виробники можуть скоротити час виконання замовлення до 90% та знизити ризики завдяки інтеграції процесів 3D-друку. Завдяки раціоналізації власного виробництва процес виробництва у цілому стає ефективнішим й дозволяє отримати більше прибутку.

У міру подальшого підвищення якості цифрового робочого процесу, покращення якості матеріалів та підвищення доступності процесів ми неодмінно будемо бачити все більше і більше 3D-друкованих деталей в автомобілях. Це збільшить можливості для індивідуального налаштування дизайну та призведе до покращення експлуатаційних характеристик.

Ювелірні вироби

3D-друк створює революцію у дизайні ювелірних виробів. Раніше виготовлення 3D-виробів, які на вигляд і відчуття були б зіставні з традиційними ювелірними виробами ручної роботи та лиття, було непростим завданням. Однак після останніх досягнень у галузі спеціалізованих висококласних програм для 3D-моделювання та зі збільшенням кількості пропонованих матеріалів для друку все більше дизайнерів ювелірних виробів віддають перевагу 3D-моделюванню та друкуванню своїх виробів.

Ювелірні 3D-принтери створюють вироби зі смоли чи воску на основі 3D-моделі. Цифрові моделі можна легко редагувати, що робить створення прототипів ювелірних виробів за допомогою 3D-друку неймовірно зручним.

В результаті клієнти можуть приміряти прототипи виробів, які вони допомогли розробити, щоб переконатися, що вони виглядають і відчуваються саме так, як потрібно перед покупкою.

Потім остаточний дизайн може бути надрукований на 3D-принтері та відлитий у форму таким самим чином, як і при виготовленні традиційних ювелірних виробів. Результати можуть вражати:


Завдяки тому, що цифровий робочий процес доповнює традиційні методи виробництва, а в майстерню приходить все більше нових дизайнерів, що володіють навичками CAD/CAM, ювелірні вироби на замовлення швидко стають доступнішими, дозволяючи ювелірам та роздрібним торговцям встановлювати тісніші стосунки зі своїми клієнтами.

Запчастини

Наслідки втрати або поломки частин пристроїв можуть змінюватись від незручних до катастрофічних.


3D-друк дозволить споживачам виробляти запчастини та залишити у минулому ті дні, коли доводилося платити непомірно високу ціну за ремонт або викидати майже справний пристрій.


Цифровий робочий процес означає, що дороге зберігання запасних частин, що не часто замовляють, більше не буде проблемою для виробників, а споживачі отримають шанс на заміну навіть тих компонентів, які більше не виготовляються компаніями.

Друк іграшок та сувенірів

Використання 3D-принтерів для створення унікальних іграшок і сувенірів вже не викликає подиву. Тепер легко отримати готовий прототип перед запуском виробу в масове виробництво. Аналіз прототипу дозволяє вивчити текстуру майбутнього виробу, його форму, розмір і колір.

Аерокосмічна промисловість

Мінімізація ваги – це основний критерій, завдяки якому 3D-друк дозволив аерокосмічній промисловості значно заощадити. Менший обсяг компонентів, необхідних для виготовлення деталі за допомогою 3D-друку, призводить до того, що деталі стають легшими. Здавалося б, невелика зміна у виробництві позитивно впливає на корисне навантаження літака, швидкість та безпеку, при цьому помітно скорочуючи виробничі відходи.

Такі компанії, як GE, Boeing та Airbus схвалили цінність 3D-друку і вже впроваджують тисячі 3D-друкованих деталей у свої судна.

Окуляри та оправи

Окуляри також можуть бути швидко створені за допомогою 3D-друку та виготовлені за нижчою ціною та з більшою зручністю для клієнта.

В результаті виробництва виходять легші та зручніші окуляри, виготовлені з мінімальною кількістю відходів. Деякі компанії навіть використовують атрибути 3D-друку для заохочення клієнтів до створення власних окулярів, що чудово підходить для формування лояльності до бренду та розширення можливостей споживачів.

Взуття

Індустрія спортивного взуття вже давно покладається на технології для оптимізації характеристик своєї продукції, а завдяки цифровому робочому процесу у них багато можливостей для створення лімітованих колекцій.


Дві лімітовані моделі взуття з 3D-підошвою, розроблені компанією New Balance та надруковані за допомогою технології Formlabs SLA.

Такі великі бренди як New Balance, Adidas та Nike, усвідомивши можливості адитивного виробництва, мають намір налагодити масове виробництво індивідуальної підошви із 3D-друкованих матеріалів. Як і в інших галузях, тут цифровий робочий процес доповнюватиме традиційні методи виробництва – саме критично важливі високотехнологічні компоненти будуть довірені 3D-друку.


У сфері з такою пристрасною базою споживачів 3D-друк також може розширити можливості клієнтів. Вона дозволить споживачам створювати власне взуття, як особистого, так і широкого споживання.

Мода

Одна з областей, у якій комерційний та художній потенціал 3D-друку, ймовірно, зіштовхнуться, - це мода та smart одяг. У міру розширення палітри матеріалів та текстилю, що використовуються в 3D-процесі, дизайнери отримають величезний спектр нових можливостей.


Технологія 3D-друку може не тільки змінити виробництво текстилю - вона також дасть можливість створювати нові тканини. Наприклад, куленепробивні, вогнетривкі та ті, що здатні зберігати тепло. Ця галузь 3D-технології ще не доведена до досконалості, але в найближчому майбутньому ми точно побачимо, як 3D-друкований одяг перейде з музеїв та високої моди у магазини.

Охорона здоров'я

Все частіше у медичній сфері використовуються технології 3D-друку. Це й не дивно, адже 3D-принтери здатні відтворити людський скелет, завдяки чому медики зможуть відпрацювати техніки для подальших успішних операцій. Також часто 3D-принтери використовують у стоматологічних цілях, адже технологія 3D-друку дозволяє отримати коронки, протези тощо набагато швидше, ніж класична технологія виготовлення.

За допомогою 3D-принтерів друкують копії пухлин, щоб лікарі чітко розуміли з чим мають справу в процесі операції. Для немовлят, які через генетичні дефекти народилися без вух, на 3D-принтері створюють протези. Американські вчені витратили 24 млн доларів на принтер, що друкує людські органи, щоб потім на них тестувати віруси. Таким чином планують спостерігати за реакцією «організму» на ту чи іншу хворобу, а на основі цих даних створювати ефективні ліки. Вчені навчились створювати на 3D-принтері також і хрящі будь-якої форми. Цей винахід допоможе тим, хто страждає від артрозу.

У 2011 році вчені зуміли відтворити людську нирку. Для цього 3D-принтеру треба було всього лише 3 години.

Аудіологія

Універсальність та широкий ступінь персоналізації, можливі завдяки 3D-друку, означають, що вона може знайти велике застосування у сфері медицини. Ми вже бачимо, як починає трансформуватися аудіо простір: фахівці з слуху та лабораторії з виготовлення вушних форм вже багато років використовують цю технологію для виробництва великих обсягів слухових апаратів, захисних заглушок та навушників.

3D-друк відмінно підходить для аудіології, оскільки пропонує можливості індивідуального налаштування без додаткових витрат, які раніше були складними та дорогими при використанні традиційних методів.

Як і у випадку з ювелірними виробами, 3D-друк дозволяє виготовляти велику кількість складних конструкцій за нижчою ціною і коротший проміжок часу.

Стоматологія

В стоматології також використовують 3D-друк, а настільні 3D-принтери все частіше зустрічаються у стоматологічних лабораторіях та клініках. Насправді популярні прозорі капи, виготовлені за допомогою 3D-друкованих форм, є, можливо, найуспішнішим застосуванням 3D-друку.


Послідовне створення високоякісної та доступної стоматологічної продукції виявилося складним завданням через унікальність кожного стоматологічного випадку та велику ймовірність людської помилки. Цифрові робочі процеси у стоматології відкривають можливості для більшої послідовності, точності та акуратності, ніж раніше. Внутрішньо ротове цифрове сканування відбитків може надати технікам набагато якісніші дані, дозволяючи легко створювати повторювані моделі за допомогою 3D-друку та підвищуючи ефективність роботи як стоматологічної клініки, так і лабораторії.


Стоматологічні 3D-принтери в основному використовують процеси 3D-друку на основі смоли, такі як SLA або DLP, для створення хірургічних напрямних, моделей зубів, форм для кап, зубних протезів або литих шаблонів для коронок і мостів швидко, з підвищеною точністю та меншою вартістю, ніж традиційні методи.
 

Протезування

3D-друк не обмежується покращенням робочих процесів або забезпеченням швидкого створення прототипів. Він також може безпосередньо змінити життя людей. Оскільки 30 мільйонів людей у всьому світі потребують протезів, є надія, що 3D-друк може запропонувати нові рішення там, де традиційно перешкодами були вартість та технічні характеристики.

Існує глобальна нестача протезів порівняно з попитом, а час і фінансові витрати, необхідні для придбання необхідних протезів, можуть виявитися непомірно високими, особливо враховуючи ступінь індивідуального виготовлення та високу потребу в постачаннях протезів, наприклад, у країнах, що розвиваються. Протези та брекети, виготовлені не за специфікацією, можуть зрештою завдати дискомфорту тим, кому вони повинні допомагати та розширювати можливості.

3D-друк може стати доступною альтернативою, яка, як і багато інших досягнень у медицині, може забезпечити терапію, більш відповідну потребам пацієнта. Доступність і налаштування методів 3D-друку може істотно змінити якість життя на краще для тих, хто страждає від травм або інвалідності.

Хірургія

3D-друк також може допомогти тоді, коли потрібне хірургічне втручання. Лікарі можуть сканувати пацієнта перед операцією та створювати індивідуальні анатомічні 3D-моделі.

Наприклад, дослідники з Університетської клініки Любека знизили ризики під час операцій на мозку, використовуючи 3D-артерії. В інших країнах постачальники медичних послуг подвоїли використання 3D-друку для швидкого створення реалістичних 3D-моделей хірургічних операцій.

3D-друк також зробив реальністю раніше неможливі операції. Заміна верхньої щелепи, формування нового черепа та заміна ракових хребців - усі ці операції, немислимі до появи передової 3D-візуалізації та друку, тепер успішно проводяться.

3D-органи 

Хоч би як розвивалася технологія 3D-друку за останні кілька років, в даний час у розробці знаходяться ще більш вражаючі і, здавалося б, малоймовірні варіанти її використання. Друковані людські органи – один із них.

Можливість легко створювати нові органи вже кілька десятиліть є мрією вчених, які працюють у галузі регенеративної медицини. Незважаючи на те, що цей процес знаходиться на ранніх стадіях, використання 3D-процесу для виробництва органічних тканин, придатних для пересадки, приносить перші плоди. Такі компанії як Organovo та різні інші лабораторії та стартапи по всьому світу зробили створення тканин печінки за допомогою 3D-друку пріоритетним напрямком досліджень.

Створення органів за допомогою 3D-друку засноване на практиці біодруку - спеціалізованого відгалуження 3D-друку, в рамках якого клітини беруться у донорів, перетворюються на придатне для друку біологічне чорнило, а потім нашаровуються і культивуються в зрілі тканини, готові до пересадки.

Потенційні переваги можливості використання технології 3D-друку для отримання необхідних органів для пересадки незліченні. Більше того, вони можуть прокласти шлях до ще більшого прогресу в регенеративній медицині, пропонуючи нові, безпечні способи розробки та тестування ліків, які можуть лікувати захворювання органів та запобігти необхідності пересадки органів взагалі.

Будівництво

За допомогою 3D-друку створюють архітектурні моделі споруд, населених пунктів з усією інфраструктурою.

До 2030 року понад чверть усіх будинків в Дубаї будуть створені за допомогою такого друку. Це знижує фінансові витрати та мінімізує використання людських ресурсів. Досвід першої офісної будівлі показав прекрасну статистику: на будівництво витрачено в 3 рази менше коштів.

Але справа не тільки в грошах. Традиційні будівельні технології залишають 30-35% сміття: приблизно 4 тонни відходів при зведенні будівлі площею 2000 кв.м. А застарілі методи залишають після себе справжні звалища. 3D-будівництво — ефективний спосіб захисту навколишнього середовища, так як він дозволяє дуже точно розрахувати потрібну кількість будматеріалів. Більш того, в якості «будівельних чорнил» можна використовувати перероблений пластик і біоматеріали (рослинні залишки, компост).

У серпні 2021 року в Україні анонсували про те, що на будівельному 3D-принтері вперше в Україні надрукують дім. 3D-будівництво відбувалося у Сумській області.

Наприклад, не так давно в Ейндховені (Нідерланди) заселили перший в Європі будинок, який був побудований за допомогою 3D-друку. Таке житло повністю відповідає будівельним нормам і є завершеною спорудою великого проєкту з п'яти будинків.

А в Німеччині надрукували будинок з кількома квартирами. Висота такого будинку – 3 поверхи.

Архітектура

Будучи галуззю, що вже заснована на геометричному проектуванні, прототипуванні та моделюванні, архітектура може отримати величезні переваги від розвитку технології 3D-друку.

Крім економії часу на виготовлення моделі, 3D-моделі дозволяють архітекторам з набагато більшою впевненістю передбачати вплив певних конструктивних особливостей, наприклад, дивлячись на модель, виготовлену з повнішим набором матеріалів, архітектор може з більшою точністю виміряти такі аспекти, як потік світла через конструкцію.


Висока презентаційна цінність такої точної моделі також означає, що 3D-друк може стати важливим комерційним інструментом для фірм, які прагнуть виграти проекти та замовлення, демонструючи всі атрибути свого проекту.

Мистецтво

Скульптури

Бум "адитивного мистецтва" наростав протягом останнього десятиліття. Ми бачили, як методи 3D-друку проникали в різні куточки світу мистецтва, від споживчих творів до скульптур, гідних Смітсонівського музею.

Використовуючи системи фотографічного 3D-сканування для створення фізичних творів мистецтва, процеси 3D-друку можуть надати клієнтам багато нових можливостей вибору. Ці розробки дали художникам та замовникам нові творчі можливості - все, що вони можуть придумати та спроектувати, вони можуть зробити, причому відповідно до найвищих стандартів.

Фільми та візуальні ефекти

3D-друк вже інтегрований у виробництво голлівудських фільмів і широко використовується для створення візуальних ефектів та костюмів.

Якщо раніше для створення найфантастичніших істот у кіно була потрібна ретельна ручна робота, то зі збільшенням термінів і вимог часу в сучасному кінематографі з'явився швидший метод створення таких ефектів. Студії ефектів, такі як Aaron Sims Creative, тепер використовують гібридизований підхід – практичне створення ефектів, доповнене цифровим робочим процесом, – щоб створити нові можливості для співпраці та скоротити терміни втілення ідей у життя.

Музичні інструменти

3D-друк може розворушити навіть ті галузі, які роками чи століттями перебували у статичній парадигмі.

Наприклад, виробництво скрипок залишалося незмінним протягом кількох сотень років - повністю ручний процес майстрів, оскільки автоматизоване виробництво виявилося нездатним виготовити інструмент із необхідною якістю обробки.

Брайан Чан, інженер компанії Formlabs створив повністю функціональну акустичну скрипку, використовуючи білу смолу Formlabs. Результат вийшов не тільки реалістичним в оздобленні, але й придатним для гри.

Оскільки виготовлення музичних інструментів на замовлення та їх специфікація в минулому були дорогими, можливості 3D-друку мають призвести до ключових змін на ринку, оскільки нові та цінні конструкції стануть можливими. А це у перспективі відкриє шлях до створення абсолютно нових інструментів.

Реставрація витворів мистецтва

3D-сканування, CAD та 3D-друк використовувалися для реставрації робіт найвідоміших художників в історії, повертаючи творам Мікеланджело та да Вінчі колишню славу.

Після оцінки сучасного стану твору мистецтва його можна відскакувати та змоделювати у цифровому форматі. Можливість ненавмисної інтерпретації зводиться до мінімуму завдяки використанню існуючих фрагментів твору як основи для подальшої реставрації. Реставратори можуть отримати доступ до величезної кількості даних про потенційні проблеми, а також про вдосконалення, за якими слідує документування, розробка форм та реставрація.

Через складність задіяних елементів та відсутність методів, які могли б гарантувати безпечне та надійне відновлення, багато попередніх спроб реставрації було припинено. Тепер, за допомогою цифрового робочого процесу, навіть неймовірно складні реставрації з кількох матеріалів стають можливими.

Дослідження

Криміналістика

3D-друк має таке ж потенційне застосування у реконструкції, як і у виробництві. Робота художника-криміналіста часто ускладнюється неповнотою доказів. Цифрові технології можуть принести величезну користь у юридичних розслідуваннях і розширити можливості криміналістів щодо відтворення точних моделей осіб.

Цифровий робочий процес тут включає перетворення томограм в 3D-відбитки для допомоги в ідентифікації. Наприклад, коли слідчі знаходять лише частину черепа як доказ, принтер може змоделювати і відтворити весь зразок.

Реконструкція зовнішності жертв злочинів вже відіграла ключову роль у відновленні справедливості, що ще раз доводить корисність 3D-друку не лише з погляду дизайну та ефективності виробництва.

Палеонтологія

Палеонтологи отримають масу задоволення від 3D-друку, оскільки це може допомогти добудувати скелети динозаврів, надрукувавши кістки, яких не вистачає.

Співробітники Смітсонівського музею нещодавно провели експеримент, надрукувавши відсутні кістки тиранозавра рекса точно за специфікацією. 3D-процес дозволив команді широко та безпечно експериментувати з використанням програмного забезпечення для моделювання, заощадив час та знизив ризик для цілісності цього скелета.

Відтворення історії

Втрата історичних артефактів здається руйнівною через відчуття неможливості їхнього відтворення. Руйнування багатьох об'єктів сирійської спадщини, таких як стародавнє місто Пальміра, є похмурим і необоротним кроком назад. Завдяки прогресуванню у області 3D-друку ми, можливо, скоро зможемо відтворити та зберегти славу минулого.

У рамках проекту Million Image Database проводиться кампанія з відтворення зруйнованих руїн Пальміри за допомогою 3D-друку. У ній використовуються 3D-моделі об'єкта, зібрані з фотографій, для створення моделей, які за масштабом та деталями відповідають історії. Цікаво, що самі методи моделювання можна використовувати захисту великих шедеврів історії мистецтва від можливої втрати.

У майбутньому 3D-друк не тільки вплине на виробництво та дизайн, але й зможе відіграти важливу роль у справах міжнародного та історичного значення.

Нескінченні можливості

Візуалізація змін у способах виготовлення речей, викликаних 3D-друком, не вимагає таких подвигів уяви, як раніше. З розвитком робочих процесів протягом останніх кількох років і закріплення в різних галузях промисловості ми починаємо бачити, як проявляється цей революційний потенціал.

Починаючи від стоматології та інших областей охорони здоров'я і закінчуючи споживчими товарами, архітектурою та виробництвом, громадськість все більше взаємодіє з кінцевими продуктами 3D-друку.

Стійке скорочення відходів традиційного виробництва, скорочення термінів виготовлення та витрат, розширення можливостей клієнтів за рахунок наближення їх до бажаних продуктів – ми можемо лише очікувати на подальший розвиток 3D-друку.