Аддитивные технологии в библиотеке. Отдел автоматизации библиотечных процессов Фундаментальной библиотеки БГУ.

1. 3D.Отдел автоматизации библиотечных процессов
Фундаментальной библиотеки БГУ.

2. 3D-печать или «аддитивное
производство» – процесс
создания цельных трехмерных
объектов практически любой
геометрической формы на
основе цифровой модели.
3D-печать основана на
концепции построения объекта
последовательно наносимыми
слоями, отображающими
контуры модели.

3. Немного из истории 3D.

4. Всё уже изобретено до нас.

5. Современная 3D-печать.
Начало

6. Первые попытки
использования технологии
трёхмерной печати
датируются 80-ми годами
прошлого века. Принтеры тех
времён были очень дорогими
и громоздкими (размером с
хороший шкаф), область
применения также не
отличалась широтой. Да сам
термин «3D печать» ещё
даже не появился.

7. Одним из пионеров трёхмерной
печати был американец
Чарльз Халл,
запатентовавший в 1986 году
первую в мире установку
стереолитографии.
Как бы ни была она далека от
современных 3D принтеров,
основные идеи послойного
создания объемных фигур,
использующиеся до сих пор,
были заложены именно в ней.
В том же году была создана
компания 3D Systems и
разработан первый
коммерческий 3D аппарат,
названный Халлом
Stereolithography Apparatus.
Спустя два года из стен 3D
Systems вышел принтер SLA-
250, ставший первой машиной
для широкого круга
пользователей.

8. Примерно в тоже
время, в 1985 году,
Михаилом Фейгеном
(Michael Feygin) была
предложена
технология
ламинирования LOM
(Laminated Object
Manufacturing), а в
1986 году Карл Декард
и Джо Биман (Carl
Decard, Joe Beaman)
разработали метод
селективного
лазерного спекания
SLS (Selective Laser
Sintering).

9. В 1988-м Скотт Крамп (S. Scott
Crump) изобрел технологию
послойного наплавления FDM
(Fused Deposition Modeling),
ставшую сейчас самой
распространенной из-за
относительной дешевизны как
самих принтеров, так и расходных
материалов. В следующем году он
основал компанию Stratasys, а в
1991-м эта компания выпустила
первый FDM-принтер.

10. Китай не мог остаться в
стороне от данного процесса, и
в конце предложил свою
технологию, очень похожую на
FDM, но в силу патентных
ограничений названную MEM
(Melted and Extruded
Manufacturing).
Термин «3D-печать» был
придуман студентами
Массачусетского
технологического института
гораздо позже, в 1995 году.
Название прижилось, но у него
есть недостаток: на его основе
несведущие люди полагают,
что печатать на 3D-принтере
столь же просто, как и на
обычном. Однако все
технологии имеют свои
тонкости, без знания которых
хороший образец не получишь,
к тому же самая маленькая
фигурка печатается дольше,
чем документ в сотню страниц
на бумаге.

11. 2000 год: представлена технология
PolyJet. Модель формируется
послойно из жидкого полимера,
затвердевающего под воздействием
ультрафиолета, что позволяет
производить печать высокоточных,
практически не нуждающихся в
постобработке изделий. Эта
технология относительно недорогая и
принтеры PolyJet доступны по цене, и
по праву могут называться обычным
офисным оборудованием.
Первый принтер с
достаточно высоким качеством
цветной 3D-печати был
выпущен еще через 5 лет, в
2005 году.

12. Дальше процесс развития новых технологий и
совершенствования имеющихся пошел с
ускорением.
2008 год: первый принтер, работающий по
технологии 3DP.
Тогда же в рамках проекта RepRap появился
принтер, способный воспроизвести сам себя (не
полностью, конечно, а примерно наполовину).
2010 год: печать искусственных
кровеносных сосудов.
В этом же году появились принтеры, получившие
название «Рог изобилия» (Cornucopia) и
способные создать готовое блюдо из пищевых
продуктов. А в следующем году принтеры
научили печатать шоколадом.
В 2012 году появился первый принтер
для домашнего использования,
основанный на технологии FDM.

13. 2013 год и вовсе стал очень плодотворным:
в Microsoft Windows 8.1 появилось приложение для 3D-печати,
получившее название 3D Builder; правда, это скорее маркетинговый
ход, «еще один довод» в пользу данной ОС, поскольку приложение
годится разве что для первоначального знакомства с объемной
печатью;
началось создание по 3D-технологиям индивидуальных
протезов для имплантации взамен поврежденных костных
тканей;
канадский инженер Рилан Грейсон (Rylan Grayson) разработал новую
технологию, при которой светочувствительный резиноподобный материал
затвердевает под воздействием лазера; коммерческая версия такого
принтера Peachy Printer будет иметь цену около $100; причем этот принтер
очень легко может быть превращен в 3D-сканер — вот вам и первое 3D-МФУ;
подготовлен к выпуску первый принтер
для производства пиццы.

14. В 2014 году начался прорыв в области
строительства зданий с использованием 3D-
печати бетоном.
В течении 2014 года, шанхайская компания
WinSun анонсировала, сначала
строительство десяти 3D-печатных домов,
возведенных за 24 часа, а после напечатала
пятиэтажный дом и особняк.
В Университете Южной Калифорнии
прошли первые испытания гигантского
3D-принтера, который способен
напечатать дом с общей площадью 250
кв. метров за сутки.
В октябре 2015 года в рамках выставки
"Станкостроение" (Крокус-Экспо) ЗАО
«СПЕЦАВИА» были представлены российские
разработки и промышленные образцы
строительных 3D-принтеров.

15. Существующие
технологии

16. В настоящее время
количество технологий
объемной печати превысило
десяток. Все они могут быть
сведены к нескольким
основным методикам.
Две из них напоминают привычную
струйную 2D-печать:
Экструзия: материал
расплавляется и в жидком виде
выдавливается через сопло (одно
или несколько) малого диаметра;
слои слипаются друг с другом и
при охлаждении застывают,
приобретая прочность.
Фотополимеризация: примерно то
же, что и экструзия, но жидкий
фотополимер застывает под
воздействием ультрафиолетового
облучения.

17. Есть и подобия лазерных принтеров:
• Лазерное спекание: материал в
виде порошка или гранул наносится
тонким равномерным слоем и затем
спекается с помощью лазера, потом
наносится и спекается следующий
слой и т.д. Точно так же, как у
лазерных принтеров есть
«двоюродные братья» —
светодиодные принтеры, у этой
технологии есть вариант, когда
спекание производится не
лазерным, а электронным лучом.
• Лазерная стереолитография: на
поверхности жидкого фотополимера
засвеченные лазером микроучастки
застывают и попиксельно образуют
очередной слой будущего объекта;
затем происходит погружение
готового слоя и формирование
следующего.

18. Но большому количеству
методов аналоги из
мира 2D-печати
подобрать трудно:
Ламинирование: слои из
тонких пленок, каждый из
которых вырезается в
форме сечения будущей
детали, последовательно
соединяются нагревом или
давлением.
Склеивание: из основы в
виде порошка или
гранул слои
формируются с помощью
жидкого клея,
подаваемого из сопла.

19. Масочная стереолитография (SGC)
Технология многоструйного моделирования (MJM)
Цветная струйная печать (CJP)
Цифровая светодиодная проекция (DLP)
Струйная трехмерная печать (3DP)
Выборочное лазерное спекание (SLS)
Выборочная лазерная плавка (SLM)
Стереолитография (SLA)
Выборочное тепловое спекание (SHS)
Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)
Электронно-лучевая плавка (EBM)
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
Производство электронно-лучевой плавкой (EBFȝ)
Моделирование методом послойного наплавления (FDM)

20. Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного
производства моделей, прототипов и готовых изделий из
жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы
происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером
или другим схожим источником энергии.

21. Моделирование методом послойного наплавления (англ.
Fused deposition modeling (FDM)) – технология аддитивного
производства, широко используемая при создании трехмерных
моделей, при прототипировании и в промышленном производстве.
Технология FDM подразумевает создание трехмерных объектов за
счет нанесения последовательных слоев материала, повторяющих
контуры цифровой модели. Как правило, в качестве материалов для
печати выступают термопластики, поставляемые в виде катушек
нитей или прутков.

22. Производственный цикл начинается с
обработки трехмерной цифровой
модели.
Модель в формате STL делится на
слои и ориентируется наиболее
подходящим образом для печати.
При необходимости генерируются
поддерживающие структуры,
необходимые для печати нависающих
элементов.
Некоторые устройства позволяют
использовать разные материалы во
время одного производственного цикла.
Возможна печать разными цветами
одного и того же вида пластика при
создании единой модели.

23. Изделие, или «модель»,
производится выдавливанием
(«экструзией») и нанесением
микрокапель расплавленного
термопластика с формированием
слоев, застывающих сразу после
экструдирования.
Пластиковая нить разматывается с
катушки и скармливается в
экструдер – устройство, оснащенное
механическим приводом для подачи
нити, нагревательным элементом для
плавки материала и соплом, через
которое осуществляется
непосредственно экструзия.
Нагревательный элемент служит для
нагревания сопла, которое плавит
пластиковую нить и подает
расплавленный материал на
строящуюся модель. Как правило,
верхняя часть сопла наоборот
охлаждается с помощью вентилятора
для создания температуры,
необходимой для обеспечения
плавной подачи материала.

24. Модели и… 3D

25. 3D-моделирование — это
процесс создания трёхмерной
модели объекта.
С помощью трёхмерной
графики можно и создать
точную копию конкретного
предмета, и разработать
новое, даже нереальное
представление до сего
момента не существовавшего
объекта.

26. •Программные пакеты, позволяющие создавать
трёхмерную графику, то есть моделировать
объекты виртуальной реальности и создавать на
основе этих моделей изображения, очень
разнообразны. Последние годы устойчивыми
лидерами в этой области являются коммерческие
продукты, такие, как:
•Autodesk 3ds Max
•Autodesk Maya
•Autodesk Softimage
•Blender
•Cinema 4D
•Houdini
•Modo
•LightWave 3D
•Caligari Truespace
•а также сравнительно новые Rhinoceros 3D,
Nevercenter Silo и ZBrush.
•Среди открытых продуктов, распространяемых
свободно, числится пакет Blender (позволяет
создавать 3D-модели, анимацию, различные
симуляции и др. c последующим рендерингом),
K-3D и Wings3D.

28. Слайсер – программа для перевода 3D
модели в управляющий код для 3D
принтера (g-код).
Слайсеры работают с форматом файла
STL. Поэтому сохранять модель для
печати нужно именно в этом формате.

29. KISSlicer

30. Пересекающиеся
грани и ребра могут
привести к забавным
артефактам слайсинга.
Плоское основание.
Желательное, но не
обязательное правило.
Плоское основание
поможет модели лучше
держаться на столе
принтера
Толщина стенок. Стенки
должны быть равными или
толще, чем диаметр сопла.
Иначе принтер просто не
сможет их напечатать.
Толщина стенки зависит от
того, сколько периметров
будет печататься.
Минимум
нависающих
элементов. Для
каждого нависающего
элемента необходима
поддерживающая
конструкция –
поддержка.
Точность. Точность по
осям XY зависит от
механики принтера. И
составляет примерно 0.3 мм
для хоббийных принтеров.
Точность по оси Z
определяется высотой слоя
( 0.1-0.4 мм). Отсюда и
высота модели будет кратна
высоте слоя.
Мелкие детали.
Мелкие детали
достаточно сложно
воспроизводятся на FDM
принтере. Их вообще
невозможно
воспроизвести, если они
меньше, чем диаметр
сопла.
Узкие места. Узкие
места очень сложно
обрабатывать. По
возможности
необходимо избегать
таких мест.
Расположение на
рабочем столе. От того,
как расположить модель на
рабочем столе зависит её
прочность. Нагрузка
должна распределяться
поперек слоев печати.
Иначе слои могут
разойтись, т.к. сцепление
между слоями не 100%.

32. Применение технологии

33. Для быстрого прототипирования, то есть быстрого
изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей
доводки. В инженерии такой подход способен существенно
снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из
материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное
решение для мелкосерийного производства.
Изготовление моделей и форм для литейного производства.
Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть
работу механизма «изнутри», что в частности было
использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в
трансмиссии автомобиля ещё при разработке.
Производство различных мелочей в домашних условиях.
Производство сложных, массивных, прочных и недорогих
систем. Например, беспилотный самолёт Polecat[en] компании
Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена
методом скоростной трёхмерной печати.

34. Разработки университета Миссури,
позволяющие наносить на специальный
био-гель сгустки клеток заданного типа.
Развитие данной технологии —
выращивание полноценных органов.
В медицине, при протезировании и производстве
имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей,
хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по
печати донорских органов. Также, для
производства медикаментов. FDA одобрило
таблетку, производимую с помощью 3D-печати.
В медицине, Американское управление по
санитарному надзору за качеством пищевых
продуктов и медикаментов (Food and Drug
Administration – FDA) в 2015 году одобрило
производство таблетки с помощью 3D-печати.
Новое лекарство Spritam разработано компаний
Aprecia Pharmaceuticals и предназначено для
контроля судорожных приступов при эпилепсии.

35. Для строительства зданий и
сооружений.
Для создания компонентов оружия
(Defense Distributed). Существуют
эксперименты по печати оружия
целиком.
Производства корпусов
экспериментальной техники
(автомобили, телефоны, радио-
электронное оборудование)
Пищевое
производство.
Модная индустрия.

36. Центр научного
творчества студенческой
молодежи «ФабЛаб»
отрылся 24 апреля 2014 в
БГУ.
В производственной
лаборатории «ФабЛаб» БГУ
молодые исследователи
получили бесплатный доступ
к специализированной
технике и программному
обеспечению для создания
цифровой модели любого
изделия.
В настоящее время
центр «ФабЛаб» БГУ
оснащен принтером 3D
CubeX Trio.
3D - печать

37. Наши работы

38. Детали для проекта студентов БГУ, участвовавших в
V чемпионате «CanSat в России»
3D - печать
Молодые конструкторы
продемонстрировали спутник
весом до 1 кг, запущенный на
стратосферном шаре на высоту
до 30 км., в котором
использовались детали
напечатанные на нашем 3D-
принтере.

40. Запуск спутника