3D-udskrivning: hvad du har brug for at vide

De er ikke din bedstefars tusindfrydsprinter, eller din mors prikmatrix. Faktisk minder de meget om dagens dokument- eller fotoprintere, som kun kan udskrives i kedelige gamle to dimensioner. Som deres navn antyder, kan 3D-printere bygge tredimensionelle genstande af forskellige materialer. De går mainstream, dukker op hos forhandlere som Staples, Best Buy og Home Depot, og du kan købe adskillige 3D-printere og deres forsyninger på Amazon.com og gennem andre online forretninger. Selvom det stadig for det meste findes på butiksgulve eller i designstudier, i skoler og samfundscentre og i hænderne på hobbyister, findes 3D-printere i stigende grad på arbejdsbænke, i rec-rum og køkkener - og måske i et hjem i nærheden af ​​dig, hvis ikke din egen.

Hvad er 3D-udskrivning?

På det mest basale er 3D-udskrivning en fremstillingsproces, hvori materiale legges, lag for lag, til dannelse af et tredimensionelt objekt. (Dette betragtes som en additiv proces, fordi objektet er bygget fra bunden i modsætning til subtraktive processer, hvori materiale skæres, bores, formales eller bearbejdes.) Selvom 3D-printere bruger en række forskellige materialer (såsom plast eller metal) og teknikker (se "Hvordan fungerer 3D-udskrivning?" nedenfor), de deler evnen til at vende digitale filer, der indeholder tredimensionelle data - uanset om de er oprettet på et computerstøttet design (CAD) eller computerstøttet fremstilling (CAM) -program, eller fra en 3D-scanner - til fysiske objekter.

Er 3D-udskrivning ens udskrivning?

Ja, 3D-udskrivning kan betragtes som udskrivning, skønt det ikke er, som det traditionelt er blevet defineret. Den relevante Websters definitioner af "trykning" centrerer om produktion af tryksager, publikationer eller fotografier og produktion ved hjælp af indtryk (trykpåføring). Ingen definition passer virkelig til 3D-udskrivning. Men fra et teknologisk perspektiv er 3D-udskrivning en udvækst af traditionel udskrivning, hvor et lag materiale (normalt blæk) påføres. Normalt er det så tyndt, at der ikke er nogen mærkbar højde (skønt det med faste blækprintere er noget tykkere). Hvad 3D-udskrivning gør, er i høj grad at udvide denne højde ved anvendelse af flere lag. Så det ville være fornuftigt at udvide definitionen af ​​udskrivning til også at omfatte fremstilling af tredimensionelle genstande på denne måde.

Hvordan fungerer 3D-udskrivning?

Ligesom traditionelle printere bruger 3D-printere en række teknologier. Den mest almindeligt kendte er fused deposition modellering (FDM), også kendt som fused filament fabrication (FFF). I den smeltes et filament - sammensat af acrylonitrilbutadienstyren (ABS), polylaktisk syre (PLA) eller en anden termoplast - gennem en opvarmet ekstruderingsdyse i lag. De første 3D-printere, der kom på markedet, fremstillet i midten af ​​1990'erne af Stratasys med hjælp fra IBM, brugte FDM (et udtryk varemærket af Stratasys), ligesom de fleste 3D-printere, der er beregnet til forbrugere, hobbyister og skoler.

En anden teknologi, der bruges i 3D-udskrivning, er stereolitografi. I den lyses en UV-laser ind i et kar af ultraviolet-følsom fotopolymer, der sporer genstanden, der skal oprettes på dens overflade. Polymeren størkner, uanset hvor strålen berører den, og strålen "udskriver" objektet lag for lag i henhold til instruktionerne i CAD- eller CAM-filen, den arbejder ud fra.

I en variation på det har du også 3D-lysprojektor (DLP) 3D-udskrivning. Denne metode udsætter en flydende polymer for lys fra en digital lysbehandlingsprojektor. Dette hærder polymerlag for lag, indtil genstanden er bygget, og den resterende flydende polymer drænes af.

Multi-jet modellering er et inkjet-lignende 3D-udskrivningssystem, der sprøjter et farvet, limlignende bindemiddel på successive lag med pulver, hvor genstanden skal formes. Dette er blandt de hurtigste metoder og en af ​​få, der understøtter flerfarvet udskrivning.

Det er muligt at ændre en standard inkjet til at udskrive med andre materialer end blæk. Investerende gør-det-selv-brugere har bygget eller modificerede printhoveder, generelt piezoelektriske hoveder, til at arbejde med forskellige materialer - i nogle tilfælde udskriver printerhovederne selv på andre 3D-printere! Virksomheder som MicroFab Technologies sælger 3D-kapable printhoveder (såvel som komplette udskrivningssystemer).

Selektiv lasersintring (SLS) bruger en højdrevet laser til at smelte sammen partikler af plast, metal, keramik eller glas. Når jobbet er slut, genanvendes det resterende materiale. Elektronstrålesmeltning (EBM) bruger - du gætte det - en elektronstråle til at smelte metalpulver, lag for lag. Titanium bruges ofte sammen med EBM til at syntetisere medicinske implantater såvel som flydele.

Afhængig af teknikken kan 3D-printere bruge en række forskellige materialer, herunder men ikke begrænset til metaller (rustfrit stål, lodde, aluminium og titan blandt dem); plast og polymerer (inklusive kompositter, der kombinerer plast med metaller, træ og andre materialer); keramik; gips; glas; og endda fødevarer som ost, glasur og chokolade! (Se vores primer om filamenttyper til 3D-printer.)

Hvem opfandt 3D-udskrivning?

Den første 3D-printer, der brugte stereolitografiteknikken, blev skabt af Charles W. Hull i midten af ​​1980'erne. Stereolitografi er stort set en dyr kommerciel teknik, hvor maskiner ofte koster $ 100.000 eller mere.

I 1986 grundlagde Hull 3D Systems, et firma, der i dag sælger 3D-printere, der bruger en række forskellige teknologier. De spænder fra entry-level kits til avancerede kommercielle systemer, og 3D Systems leverer også on-demand dele-tjenester, mest til forretningsbrugere.

Hvad er fordelene ved 3D-udskrivning?

Med 3D-udskrivning har designere muligheden for hurtigt at omdanne koncepter til 3D-modeller eller prototyper (også kaldet "hurtig prototype") og implementere hurtige designændringer. Det giver producenter mulighed for at fremstille produkter efter behov snarere end i store løb, forbedre lagerstyring og reducere lagerplads. Mennesker på fjerntliggende steder kan fremstille objekter, der ellers ville være utilgængelige for dem.

Fra et praktisk synspunkt kan 3D-udskrivning spare penge og materiale kontra subtraktive teknikker, da meget lidt råstof spildes. Og det lover at ændre fremstillingsformen og til sidst lade forbrugerne downloade filer til udskrivning af endda komplekse 3D-objekter - inklusive for eksempel elektronikapparater - i deres egne hjem.

Hvad kan 3D-printere fremstille?

Designere bruger 3D-printere til hurtigt at oprette produktmodeller og prototyper, men de bruges i stigende grad også til at fremstille slutprodukter. Blandt de emner, der er lavet med 3D-printere, er skodesign, møbler, voksstøbning til fremstilling af smykker, værktøjer, stativer, gave- og nyhedsartikler og legetøj. Bilindustrien og luftfartsindustrien bruger 3D-printere til at fremstille dele. Kunstnere kan skabe skulpturer, og arkitekter kan fremstille modeller af deres projekter. Arkæologer bruger 3D-printere til at rekonstruere modeller af skrøbelige artefakter, herunder nogle af de antikviteter, der i de senere år er blevet ødelagt af ISIS. Ligeledes kan paleontologer og deres studerende duplikere dinosaureskeletter og andre fossiler. Se vores galleri med enkle og praktiske 3D-printerobjekter.

Læger og medicinske teknikere kan bruge 3D-udskrivning til at fremstille proteser, høreapparater, kunstige tænder og knogletransplantater samt replikere modeller af organer, tumorer og andre indre kropsstrukturer fra CT-scanninger som forberedelse til operation. Et godt eksempel er Project Daniel, som 3D-udskriver protesearme og hænder til ofre for volden i Sudan. Desuden udvikles 3D-printere, der kan lægge lag af celler til at skabe kunstige organer (såsom nyrer og blodkar) allerede i FoU-fasen. Der er endda et sted til 3D-udskrivning i retsmedicin, for eksempel at replikere en kugle, der er indsat inde i et offer.

Trykt elektronik er et sæt udskrivningsmetoder, der gør det muligt at udskrive elektroniske enheder eller kredsløb på fleksibelt materiale såsom etiketter, tekstiler og pap ved anvendelse af elektroniske eller optiske blæk. Det giver meget lave omkostninger fremstilling af enheder med lav ydeevne. Trykt elektronik begynder at blive kombineret med 3D-udskrivning, hvilket giver mulighed for udskrivning af lagdelte kredsløb eller enheder. En naturlig udvækst af denne potente combo er, at du en dag muligvis kan udskrive gadgets fra 3D-planer i stedet for at købe dem.

Madlavning er en anden måde 3D-printere kan bruges på. Det franske kulinariske institut har brugt en open source 3D-printer udviklet ved Cornell University til at forberede kunstneriske delikatesser, og MIT har oprettet en 3D-madprinter kaldet Cornucopia. Et lille antal restauranter tester prototyper til mad-printer. NASAs 3D-udskrivningsforskning har inkluderet madtryk, såsom 3D-trykt pizza.

En håndfuld mad 3D-printere er blevet kommercielt tilgængelige. De har en tendens til at fokusere på bestemte fødevarer, såsom chokolade, pandekager eller cookies.

Hvad er 3D-udskrivningstjenester?

Du behøver ikke at eje en 3D-printer for at drage fordel af en. Mange 3D-udskrivningstjenester, såsom Shapeways og Sculpteo, udskriver gaver og andre små genstande på bestilling på deres egne 3D-printere, og send dem derefter til kunden. Kunder kan enten indsende deres egne 3D-objektfiler eller vælge emner, de fleste af dem designet af andre brugere af tjenesten, fra et online katalog.

Men 3D-udskrivningstjenester er ikke længere udelukkende specialister. Store virksomheder som Staples og UPS har introduceret 3D-printtjenester, og nogle traditionelle trykkerier har tilføjet 3D-udskrivning til deres repertoire.

Hvor kan jeg få en 3D-printer?

De fleste 3D-printerproducenter sælger deres produkter direkte online. Mange e-tailers lagerfører dem nu, inklusive firmaer, der kun er online som Amazon.com, og andre, der også har mursten og mørtelbutikker. Nogle af sidstnævnte, såsom Walmart, Best Buy og Staples, tilbyder dem både i butikker og online, men sørg for at kontrollere, om der er butikker tilgængelighed på deres websteder, da ikke alle forretninger bærer dem. Flere 3D-printerbutikker er åbnet i større byer. For eksempel har iMakr forretninger i London og New York City.

Et par onlineforhandlere er specialiserede i 3D-printere, såsom Dynamism, der sælger en række 3D-printere fra forskellige mærker og også yder kundesupport.

Hvilken software har jeg brug for til 3D-udskrivning?

Næsten alle 3D-printere accepterer filer i det, der kaldes STL-format (navngivet til stereolitografi). Disse filtyper kan produceres af de fleste enhver CAD-software, fra dyre kommercielle pakker som AutoCAD til gratis eller open source-produkter såsom Google SketchUp og Blender. For dem, der ikke er tilbøjelige til at lave deres egne 3D-filer, tilbyder 3D-objektdatabaser som MakerBots Thingiverse adskillige 3D-objektfiler, der kan downloades og udskrives.

De fleste 3D-printere leveres med en softwarepakke, der enten leveres på disk eller tilgængelig til download, som inkluderer alt hvad du har brug for for at få udskrivning. Suiterne indeholder typisk et program til styring af printeren og en skæremaskine, der som forberedelse til udskrivning formaterer objektfilen i lag baseret på den valgte opløsning og andre faktorer. Nogle suiter inkluderer et program til at "helbrede" objektfilen ved at korrigere problemer, der kan forstyrre glat udskrivning. Programmerne kom ud af RepRap open source bevægelse, hvorved hobbyist 3D-printing udviklede sig. På nogle printere kan du vælge de enkelte komponentprogrammer, der skal downloades, i stedet for at gå med det, der følger med i pakken.

Hvad holder fremtiden for 3D-udskrivning?

En række 3D-printere til huse og små virksomheder er let tilgængelige - PCMag har gennemgået en hel del af dem - men de betragtes stadig ofte som eksotiske og temmelig dyre kontraster. Forvent at ændre sig inden for de næste par år, når 3D-printere bliver mere almindelige i huse - findes på arbejdsbænke, i studios, hjemmekontorer og endda i køkkenet. Du finder dem muligvis ikke i hver husstand, men de vil blive uundværlige for de mennesker, der har dem. For det meste har genstande, der er lavet med 3D-printere, haft homogent interiør, men vi vil begynde at se mere komplekse kreationer, der kombinerer flere materialer og kompositter samt udskrivbar elektronik. Med dagens 3D-printere kan du udskrive et udskiftningsdæksel, hvis du mister din fjernbetjenings batteridæksel. Med morgendagens, hvis du mister din fjernbetjening, kan du udskrive en ny fjernbetjening.

3D-udskrivning får også fodfæste i det ydre rum. NASA eksperimenterer med 3D-printere ombord på den internationale rumstation. Til sidst kunne 3D-printere bruges til at skabe naturtyper på Mars og andre verdener. For at redde Apollo 13-astronauterne fra at dø af kulilte-kvælning, måtte NASA faktisk finde en måde at sætte en firkantet knap ind i et rundt hul. Havde der været en 3D-printer om bord, kunne de måske have været i stand til let at løse problemet ved at designe og udskrive et stik.

Astronauter kan ikke svinge af Home Depot, hvis de har brug for at udskifte en ventil eller widget, men en 3D-printer kan fremstille en efter behov. Ligeledes vil vi se 3D-printere i Antarktis-baser og andre fjerntliggende jordiske steder, hvor folk ikke kan vente i seks måneder til det næste forsyning med erstatning for vigtige dele eller værktøjer.

Medicinske anvendelser af 3D-udskrivning stopper ikke med protetik, høreapparat og tandkroner. (Se "Hvad kan 3D-printere lave?" Ovenfor for en forhåndsvisning af, hvad der er i værkerne.) Udskiftningsdele behøver ikke at være begrænset til det mekaniske.

De sidste par år har vi set en eksplosion i variationen og anvendelsen af ​​3D-printere. Det svarer til, hvor personlig databehandling var omkring 1980. Selvom det er let nok at se nogle af de områder, inden for 3D-udskrivning vil forgrene sig, er andre ud over vores evne til at forudsige, ligesom ingen omkring i 1980 kunne have forestillet sig meget af hvad den personlige computer ville blive til. Det er muligt, at 3D-udskrivning muligvis ikke har samme indflydelse som pc'en, men det har potentialet til at revolutionere fremstillingen og, måske mere vigtigt, bringe det i hænderne på hverdagens forbrugere. Én ting er dog sikker: 3D-udskrivning er her for at blive.

For mere kan du se vores guide til de 10 bedste 3D-printere og nogle indsigter fra en tidlig adopter.