Качество 3D-принтеров и перспективы их эффективного применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра мировой экономики и менеджмента

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (ДИПЛОМНАЯ) РАБОТА

КАЧЕСТВО 3D-ПРИНТЕРОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Работу выполнил Е.С. Ургалкин

Факультет экономический

Специальность 220501.65 Управление качеством

Научный руководитель

канд. эконом. наук, доцент А.П. Долгов

Нормоконтролер

преподаватель В.А. Татаринцев

Краснодар 2014

Введение

3D-печать - это быстрое создание реальной модели по ее виртуальному образу. Технологический процесс 3D-печати представляет собой послойное создание будущего предмета без использования форм или дополнительной оснастки. Существующие технологии позволяют создавать модели из пластика, гипса, специальных полимеров и прочих порошкообразных компонентов, которые могут склеиваться или спекаться в процессе создания прототипа. Скорость изготовления конечной продукции и качество выполнения индивидуальных заказов является ключом к успеху в сегодняшнем бизнесе. 3D-печать не имеет конкурентов.

Сверхбыстрое производство конечного продукта и цифровая точность его изготовления - визитная карточка данного метода.

Целью данной дипломной работы является изучения технологии 3D-печати.

Предметом работы является технология производства 3D-принтеров

Объектом работы является предприятия по производству 3D-принтеров.

Для достижения поставленной цели поставлены следующие задачи:

- изучить эволюцию технологии 3D-печати;

- рассмотреть технологии 3D-печати;

- рассмотреть области применение 3D-принтеров;

- проанализировать зарубежный и отечественный опыт в производстве 3D-принтеров;

- изучить разработки развития предприятия в отрасли производства 3D-принтеров;

Данная работа включает введение, три главы, заключение, источников.

1. Теоретическая часть

1.1 Эволюция технологии 3D-печати

3D печать начала свою историю в 1984 году. Американец Чарльз Халл разработал технологию послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (ФПК). В дальнейшем это технология обрела название «стереолитографии» (STL).

Автор получил патент за изобретение лишь в 1986 году. В тот же год им была основана компания 3D System , которая приступила разрабатывать свое первого промышленного устройства для 3D-печати и уже на следующий год год, в 1987 году, было представлено общественности. Из-за того что термин «3D принтер» в то время не был введён в оборот, аппарат Чарльза Хала имел название «установка для стереолитографии». Устройство выращивало смоделированный на компьютере трёхмерный объект из жидкой фотополимеризующейся композиции, нанося её слой за слоем на подвижную платформу, погружаемую в ванну с ФПК. Каждый слой имел толщину примерно 0,1-0,2 мм.

Первые прототипы STL-принтеров были переданы нескольким заказчикам сразу же после изготовления для тестирования. Все рекомендации и отзывы от заказчиков были учтены для производства следующей модели стереолитографического устройства - SLA-250. Данная модель была запущена на серийное производство в 1988 году.

В 1988 году технология 3D-печать уже получила широкую популярность. Это сподвигло на появление новых технологии: метод селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering (SLS)) и моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling (FDM)) . Технологию моделирования методом наплавления изобрел Скотт Крамп в 1988 году.

В 1989 году он основал компанию Stratasys, где было налажено промышленное производство станков. Первый станок компании под названием "3D Modeler" поступил в продажу в 1992 году.

Так же в 1992 году на рынок был выпущен станок, работающий по технологии селективного лазерного спекания (SLS) компанией DTM. В 1993 году была изобретена еще одна технология 3D-печати под названием «Технология трехмерной печати» и была запатентована в Массачусетском технологическом институте (MIT). Её технология была подобна струйной печати, используемой в 2D принтерах. В 1995 году был получен патент от Массачусетского технологического института на использование технологии компанией ZCorporation. В том же году компания начала производство 3D-принтеров, на базе 3DP технологий.

В те года для обозначения станков быстрого моделирования впервые был использован термин «трехмерная печать» . Появление в продаже моделей станков по относительно низким ценам произошло в конце 1990-х - начале 2000 гг.. В 2005 г. компания Z Corporation выпустила на рынок Spectrum Z510 - революционно-новую модель станка 3D-печати с высоким разрешением цветов.

В 2006 году произошел ещё один прорыв в области трехмерной печати. В этом году был сосздан общедоступный проект Reprap, нацеленный на производство 3D принтера, способный воспроизводить детали собственной конструкции. Проект RepRap (от англ. Replicating Rapid Prototyper -- самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов). Основан в 2006 году Эдрианом Боуэром.

Первая модель Reprap, произведенная в 2008 г., может произвести приблизительно 50% своих собственных частей.

принтер конкуренция кооперация концентрация

1.2 Технологии 3D-печати

На данный момент существует много технологий 3D-печати. Они отличаются друг от друга способом нанесения прототипирующего материала и его типом. Из самых распространенных технологий 3D-печати на сегодняшний день можно отнести следующие:

Стереолитография;

Лазерное спекание порошковых материалов;

Технология струйного моделирования;

Послойная печать расплавленной полимерной нитью;

Технология склеивания порошков;

Ламинирование листовых материалов;

УФ-облучение через фотомаску.

Охарактеризуем каждую технологию подробнее.

Стереолитография (SLA)

Стереолитография, она же Stereo Lithography Apparatus (SLA), получила наибольшее распространений среди технологий 3D-печати из-за низкой себестоимости готовых изделий (рис. 1).

Технология SLA состоит в следующем: система сканирования направляет на фотополимер лазерный луч. Под действие луча материал твердеет. Фотополимером является твёрдый и хрупкий полупрозрачный материал. Этот материал коробится под действием атмосферной влаги, легко обрабатывается, склеивается и окрашивается. В ёмкости с фотополимерной композицией находится рабочий стол. Его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025 мм - 0,3 мм каждый раз после прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя.



Рис. SLA технология

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН а так же компании 3DSystem, F&S Stereolithographietechnik GmbH изготавливают оборудование для SLA печати.

Лазерное спекание порошковых материалов (SLS).

Лазерное спекание порошковых материалов, оно же Selective Laser Sintering (SLS) - единственная технология 3D-печати, которая может быть использована для изготовления металлических формообразующих для пластмассового и металлического литья. Пластмассовые прототипы могут быть использованы для изготовления полнофункциональных изделий, благодаря хорошими механическими свойствами.

Материалы, использующие в технологии SLS, близки по своим свойствам к конструкционным маркам: керамика, порошковый пластик металл. Порошковые материалы, нанесенные на поверхность рабочего стола, запекаются лазерным лучом в твёрдый слой, соответствующий сечению 3D модели и определяющий её геометрию.



Рис. SLS технология

Компании F&S Stereolithographietechnik GmbH, EOS GmbH, 3D Systems и The ExOne Company / Prometal изготавливают оборудование для SLS-печати.

Послойная печать расплавленной полимерной нитью (FDM)

Послойная печать расплавленной полимерной нитью, она же Fused Deposition Modeling (FDM), используется для изготовления выплавляемых форм для литья металлов и для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным изделиям (рис. 3).

Технология FDM-печати заключается в следующем: нити из ABC пластика, воска или поликарбоната разогреваются до полужидкого состояния через выдавливающую головку с контролируемой температурой. Эта головка подаёт полученный термопластичный моделирующий материал с высокой точностью и тонкими слоями на рабочую поверхность 3D-принтера. Эти слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.



Рис. Технология FDM печати

В настоящее время компанией Stratasys Inc изготавливает 3D-принтеры с технологией FDM.

Технология струйного моделирования

Технология струйного моделирования, она же Ink Jet Modelling, имеет несколько запатентованных подвидов: Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM).

Хоть все эти технологии имеют свои особенности, работают они по одному принципу. Чаще всего используются моделирующие и поддерживающие материалы. К числу моделирующих материалов относят широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам, а к поддерживающих - воск. На рабочую поверхность через печатающую головку 3D-принтера наносят поддерживающие и моделирующие материалы. После чего производится механическое выравнивание и фотополимеризация.

Такая технология позволяет получать прозрачные и окрашенные модели с различными механическими свойствами. Среди них могут быть как и твёрдые, похожие на пластики, так и мягкие, резиноподобные изделия.

Рис. Технология струйного моделирования

Компании 3D Systems, Objet Geometries Ltd, Solidscape Inc изготавливают 3D-принтеры с использованием технологии струйного моделирования.

Технология склеивания порошков.

Технология склеивания порошков - она же Binding powder by adhesives, позволяет, помимо создания объёмные модели, раскрашивать их.

В принтерах с технологией binding powder by adhesives используются два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок формирует модель, а жидкий клей на водной основе, проклеивающий слои порошка. Через печатающую головку 3D-принтера поступает клей и связывает между собой частицы порошка и формирует контур модели. Далее, после завершения печати, удаляются излишки порошка. В пустоты модели заливают жидкий воск для придания модели дополнительной прочности.

Условные обозначения: 1-2 - ролик наносит тонкий слой порошка на рабочую поверхность; 3 - струйная печатающая головка печатает каплями связующей жидкости на слое пороша, локально укрепляя часть сплошного сечения; 4 - процесс 1-3 повторяется для каждого слоя до готовности модели, оставшийся порошок удаляется

Рис. Технология склеивания порошков

На сегодняшний день изготовлением 3D-принтеры с технологией склеивания порошков занимается компаниея Z Corporation.

Ламинирование листовых материалов (LOM)

Ламинирование листовых материалов, оно же Laminated Object Manufacturing (LOM), предполагает изготовление 3D моделей из бумажных листов с помощью ламинирования. Лазером вырезается контур слоя будущей модели, а ненужные обрезки удаляются из принтера путем разрезания их на небольшие квадратики. Готовое изделие структурой похоже на древесную, однако негативно относится к влаге.



Рис. Технология ламинирования листовых материалов

Производством 3D-принтеров с технологией ламинирования листовых материалов занималась компания Helisys Inc, но в настоящее время компания прекратила выпуск такого оборудования

Облучение ультрафиолетом через фотомаску (SGC)

Облучение ультрафиолетом через фотомаску, оно же Solid Ground Curing (SGC), предполагает распыление на рабочую поверхность слои фоточувствительного пластика для создания готовых моделей. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается.

До недавнего времени 3D принтеры с технологией облучения УФ-лампой через фотомаску выпускала компания Cubital Inc, но в настоящее время производство таких машин прекращено.



1.3 3D-печаеть в архитектуре, строительстве и геоинформационных системах

3D печать находит широкое применение в изготовлении архитектурных макетов зданий, сооружений, целых микрорайонов, коттеджных посёлков со всей инфраструктурой: дорогами, деревьями, уличным освещением.

Для печати трёхмерных архитектурных макетов используют дешёвый гипсовый композит, который обеспечивает низкую себестоимость готовых моделей.

На сегодняшний день для 3D печати доступно 390 тысяч оттенков палитры CMYK, что позволяет воплотить в жизнь любую цветовую фантазию архитектора.

Для трёхмерной печати архитектурных моделей и прототипов чаще всего используются цветные 3D ZPrinter модели 250, 450, 650, 850 и чёрно-белые 3D ZPrinter модели 150 и 350.

Инженеры из университета Южной Калифорнии создали систему 3D печати для работы с крупногабаритными объектами. Система работает по принципу строительного крана, который возводит стены из слоёв бетона. Такой 3D принтер может возвести двухэтажный дом всего лишь за 20 часов. Рабочим останется только установить окна, двери и провести внутреннюю отделку помещения.

Голландские архитекторы предложили напечатать при помощи строительного 3D принтера уникальный дом в форме ленты Мёбиуса. «Печать» дома запланирована на 2014 год. Дом планируется напечатать из смеси песка и связующих материалов.

Вполне возможно, что через несколько десятков лет вырастут целые посёлки с великолепными комфортными домами, построенными по технологии 3D печати.

Применяя 3D принтеры можно создавать объёмные цветные карты, точно отображающие ландшафт местности или указывающие уровни залегания различных пород.

1.4 ЗD-печать в медицине

С каждым днём технология трёхмерной печати всё совершенствуется, и потому пользоваться "распечатанными" предметами становится всё безопаснее и эффективнее.

Технологии трёхмерной печати существенно облегчают работу врачей, потому что позволяют в кратчайшие сроки создать качественный протез, который полностью соответствует параметрам пациентов.

В январе 2012 года врачи обнаружили, что у Каибы Джонфриддо (Kaiba Gionfriddo), которому было всего шесть недель от роду, случился разрыв левой бронхиальной трубки из-за не диагностированного врождённого дефекта.

В большинстве случаев, когда ребёнок рождается, хрящевые кольца в его трахее открывают дыхательные пути. Но бывают и исключения. По данным Американской медицинской библиотеки при Национальном институте здравоохранения (US National Library of Medicine, National Institute of Health), один из каждых 2100 новорождённых имеет врождённый дефект, при котором часть дыхательных путей оказывается слишком хрупкой и в итоге разрывается, блокируя вход для воздуха в одно из лёгких или даже в оба. Лечение такого заболевания требует размягчения трахеи, а также постоянного контроля за здоровьем пациента, особенно в случаях простуды и других инфекционных заболеваний. Иногда необходим респиратор или хирургическое вмешательство.

Некоторые случаи бывают особенно тяжёлыми, как у Каибы: даже после курса лечения он всё равно дышал с большим трудом.

После того, как лечащие врачи мальчика поняли, что спасти пациента будет очень сложно, они обратились к Гленну Грину (Glenn Green), отоларингологу из университета Мичигана, и его коллегам. Эти медики как раз работали над новым устройством, которое помогает "вылечить" коллапс дыхательных путей. Они спроектировали синтетическую трубку, которую можно обернуть вокруг повреждённой части бронха или трахеи (рис. 22). Это позволяет открыть проход воздуху, дать ему возможность свободно циркулировать.

Но тут возникает проблема: органы каждого пациента уникальны, и потому невозможно создать устройство универсального размера. Эту задачу решила технология 3D-печати: макет трубки можно делать по индивидуальному заказу, чтобы создать фиксатор именно такой формы и размера, который подойдёт конкретному пациенту.

Задача создания синтетической трубки оказалась не слишком сложной, ведь сама трахея имеет форму трубки, а значит, никаких сложных форм создавать было не нужно. Грин и его коллеги провели тесты на поросятах, после чего убедились в эффективности данной методики.

Ответственным за изготовление такого "рукава" для трахеи был Скотт Холлистер (Scott Hollister), биоинженер из университета Мичигана. Устройство должно крепиться вокруг трахеи и позволять ей расширяться при поступлении воздуха, но предотвращать спазмы, которые могут привести к коллапсу.

Чтобы создать правильный эскиз, врачи сделали Каибе компьютерную томографию. На основе полученных данных они спроектировали трубку нужной формы и размера, как по индивидуальному заказу. Впрочем, "напечатать" идеальный рукав удалось не с первого раза. Инженерам постоянно приходилось вносить коррективы, но в итоге всё получилось.

Перед тем, как вставить трубку в бронх Каибе, команде пришлось срочно заручиться согласием американского Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA). Как сообщается в пресс-релизе, операция прошла 9 февраля 2012 года.

Это спасительное устройство было создано из поликапролактона, похожего на пластик полимерного материала, совместимого с живыми тканями. 3D-принтер нагревал поликапролактоновый порошок (к слову, у него очень низкая температура плавления) до тех пор, пока он не превратился в густую пасту, из которой уже можно было лепить нужную форму.

Самое интересное, что когда мальчик будет расти, трубка будет расти вместе с ним. Однако через несколько лет его трахея окрепнет и болезнь пройдет сама собой, а необходимости вынимать устройство не будет, ведь оно сделано из тех же материалов, что и саморастворяющиеся хирургические нити, которыми зашивают внутренние органы.

В феврале 2012 года, из-за заболевания остеомиелитом, 83-летняя жительница Бельгии лишилась возможности говорить, жевать, и даже нормально дышать. Болезнь поразила её нижнюю челюсть. Решением проблемы пациентки занялись специалисты из университета Хасселта (Universiteit Hasselt).

Поскольку костная структура не подлежала восстановлению, медики приняли решение изготовить протез. Благодаря современным технологиям стало возможным не только создать компьютерную 3D-модель необходимого элемента, но и изготовить его при помощи трёхмерного принтера.

Сначала при помощи магнитно-резонансной томографии специалисты определили точную форму нижней челюсти пожилой пациентки. Затем компания LayerWise занялась изготовлением протеза. Используя 3D-модель, специальный "принтер" при помощи лазера запёк слой за слоем титановый порошок в конечную структуру.

Перед пересадкой искусственную челюсть покрыли биосовместимым керамическим материалом. Общий вес новой челюсти составил 107 граммов. Несмотря на то что она оказалось на треть тяжелее настоящей, разница в весе не помешает старушке, считают медики. Она быстро привыкнет к протезу, уверены они.

"Пробудившись от анестезии после четырёхчасовой операции, пациентка смогла сказать несколько слов, а днём она позже уже снова нормально говорила и глотала", - Жюль Пукан (Jules Poukens), профессор университета Хасселта, руководивший процессом пересадки.

Уже через четыре дня пожилую женщину отпустили домой. В дальнейшем учёные, вероятно, займутся монтированием в ротовой полости моста для дальнейшей установки на челюсть зубов.

В августе 2012 года, из-за врождённого заболевания, двухлетняя Эмма Лавелль (Emma Lavell) не могла двигать руками, пока специалисты детской больницы Альфреда Дюпона (Nemours/Alfred I. duPont Hospital for Children) не сделали для неё специальный экзоскелет.

За основу изделия была взята существующая модель вилмингтонского роботизированного экзоскелета (WREX), разработанного в том же центре. Устройство позволяет двигать конечностями с помощью системы поддерживающих соединений.

Проблема заключалась в том, что такой экзоскелет изначально создавался для детей в возрасте от шести лет и более. Построенный на базе инвалидного кресла, он был слишком громоздким для маленькой двухлетней пациентки.

Тогда доктор Тарик Рахман (Tariq Rahman) и дизайнер Уитни Семпл (Whitney Sample) разработали лёгкую уменьшенную модель устройства. Так как оборудование, используемое для производства WREX, не было рассчитано на выпуск более мелких деталей, они напечатали их на 3D-принтере компании Stratasys.

В результате медики получили полностью функциональный экзоскелет, выполненный из прочного АБС-пластика, который используется в конструкторах LEGO. Это позволило существенно снизить вес и сделать устройство достаточно мобильным.

Теперь Эмма может где угодно носить специальную куртку со встроенным экзоскелетом. Девочка называет своих механических помощников "мои волшебные руки", ведь они позволяют ей самостоятельно играть, рисовать и кушать, что ранее малышке было недоступно.

Когда устройство станет ей мало, разработчики просто напечатают новые детали. Подобные устройства уже напечатаны для 15 других больных детей.

В феврале 2014 года 14-месячный Роланд Лянь (Roland Lian Cung Bawi) ? сын эмигрантов из Мьянмы, которые проживают в Оуэнсборо (Owensboro), США, страдает сразу от нескольких пороков развития, таких как окно в сердце, аномальное расположение аорты и лёгочной артерии.

Жизнь таких детей обычно состоит всего из 3-19 месяцев непрерывных хронических заболеваний. Для попытки спасения ребёнка раньше понадобилось бы несколько сложных операций. Однако в данном случае риск неудачи был слишком велик, и медики решили попытаться найти надёжный способ планирования хирургического вмешательства.

Поиски привели к успешному сотрудничеству врачей детской больницы Косейр (Kosair Children's Hospital) и инженеров, работающих с трёхмерной печатью в университете Луисвилля (University of Louisville). Тим Горнет (Tim Gornet) и его команда создали модель сердца Роланда на основе данных томографии мальчика. Фактически в распоряжении инженеров и медиков оказались тысячи сечений жизненно важного органа.

Для послойного создания модели сердца учёные использовали гибкий полимерный материал, известный как Ninja FLEX. В итоге всего за 20 часов на 3D-принтере стоимостью 2,5 тысячи долларов была получена реплика органа стоимостью 600 долларов. Копия сердца в 1,5 раза больше своего аналога и состоит из трёх отдельных частей для удобства планирования операции.

Готовая модель была передана кардиохирургу Эрлу Остину третьему (Erle Austin III). С её помощью специалист нашёл способ создания туннельного соединения между клапаном аорты и желудочком всего за одну операцию.

14 февраля 2014 года Роланд покинул больницу с надеждой на нормальную продолжительность жизни. На первом осмотре через 7 дней родители рассказали, что мальчик хорошо себя чувствует, крепко спит, много играет и улыбается, чего раньше они практически не наблюдали. Прогнозы специалистов пока положительные.

В марте 2014 года Доктор Бон Вервей (Bon Verweij) из Университетского медицинского центра в Утрехте (UMC) и его коллеги провели уникальную операцию по замене всей верхней части черепа на "напечатанный" имплантат.

22-летняя женщина обратилась к специалистам с редким заболеванием, в ходе которого кости её черепа постоянно становились толще и оказывали давление на мозг. В результате она сначала испытывала сильные головные боли, затем постепенно потеряла зрение и обрела проблемы с координацией движения.

"Это был только вопрос времени, когда она лишится других функций мозга и в конечном счёте умрёт, -- объясняет Вервей. -- Операция была единственным выходом, так как эффективного лечения для таких случаев до сих пор не существует".

Замена части черепа на пластину, изготовленную из различных материалов, проводилась в медиине и ранее. Но в этот раз врачи решили действовать нестандартно и обратились к австралийской компании Anatomics, чтобы вместе с её специалистами создать простой, лёгкий, но прочный пластиковый имплантат.

Искусственный свод черепа был напечатан на основании трёхмерной компьютерной реконструкции головы пациентки и идеально заменил удалённый участок. Сложная операция была проведена три месяца назад и продолжалась 23 часа.

"С тех пор у пациентки полностью восстановилось зрение, а сама она вернулась к работе, -- рассказывает Вервей. -- Уже практически невозможно догадаться, что совсем недавно она пережила операцию".

Успешный опыт голландских специалистов может быть использован для пациентов с различными костными нарушениями, а также для замены части черепа после аварий или удаления опухолей.

В апреле 2014 года Хосе Дельгадо (Jose Delgado), родившийся без левой кисти и испробовал немало технологий, чтобы почувствовать полноценную радость движения, получил новый протез, стоимость которого составила всего $50 (около 1700 рублей), и дал очень положительные отзывы о его использовании. Хосе даже признался, что его новая рука в некоторых вопросах намного лучше, чем миоэлектрический протез за $42 тысячи (почти полтора миллиона рублей), который контролировался электрическими мышечными сигналами его тела.

В отличие от дорогостоящего устройства, новый протез был распечатан на 3D-принтере (рис. 27). Создателем его стал Джереми Саймон (Jeremy Simon), партнёр-основатель компании 3D Universe, специализирующейся на аддитивном производстве.

"Хосе просто нашёл меня и спросил, могу ли я помочь ему напечатать простой протез руки", -- рассказывает Саймон в пресс-релизе компании.

В качестве основного материала для печати был использован акрилонитрилбутадиенстирол или АБС-пластик. Конструкция модели, получившей название e-NABLE Hand, относится к категории Cyborg Beast ("Зверь-киборг").

После разработки прототипа Дельгадо вновь обратился к Саймону, и они вместе начали работу над оптимизацией натяжных шнуров в протезе. Эти шнуры имеют основополагающее значение для работы 3D-печатных устройств, так как они представляют собой серию негибких связок, проходящих вдоль нижней стороны каждого пальца и подключающихся к блоку на верхней части устройства.

Натяжение при использовании определяется изгибом запястья вниз. Если запястье находится в положении покоя, то пальцы вытягиваются, с естественным изгибом внутрь. Когда запястье изгибается от 20 до 30 градусов вниз, негибкие шнуры натягиваются, в результате чего пальцы сгибаются внутрь. Вторая серия гибких шнуров проходит вдоль кончиков пальцев. За счёт них пальцы автоматически возвращаются в исходное положение, когда напряжение снимается.

Дельгадо рассказал, что больше всего ему понравилось, что все пальцы функционировали одинаково хорошо. С новым протезом ему стало удобнее управлять автомобилем и носить продуктовые сумки. По словам Саймона, рекомендация Дельгадо особенно ценна для компании, так как пациент испробовал почти все варианты протезов, и его положительные отзывы о новой "руке" за $50 особенно ценны.

Среди производителей протезов принято считать, что лучший продукт тот, который использует наиболее современные электронные технологии. Человеческая рука является одной из наиболее сложных частей тела, состоящей из мышц, нервов, сухожилий и костей. Поэтому напечатанный на 3D-принтере протез нельзя рассматривать как полноценную замену всем остальным устройствам.

Саймон сообщает, что, так как профессия Дельгадо напрямую связана с физическим трудом, вряд ли новый протез прослужит ему годы. Но инженер уже начал работу над следующей моделью, которая будет создана с использованием нейлона для увеличения прочности и придания лёгкости конструкции. Также Дельгадо пообещали в следующий раз оптимизировать систему захвата, чтобы работать руками стало ещё удобнее.

1.5 3D-печать в мелкосерийном производстве, функциональном тестировании и образовании

Профессиональные 3D принтеры постепенно отвоёвывают свои позиции в сфере мелкосерийного производства. Чаще всего данную технологию печати используют для изготовления эксклюзивных изделий, например предметов искусства, фигурок персонажей для участников ролевых интернет-игр, прототипов и концептуальных моделей будущих потребительских товаров или их конструктивных деталей. Такие модели используются как в экспериментальных целях, так и для презентаций новых товаров.

Для мелкосерийной 3D печати чаще всего используют системы Dimension, модели Elite и SST 1200ES, а также системы Fortus, модели 400mc и 900 mc.

Использование 3D принтеров для функционального тестирования - это один из современных методов инновационных разработок. В большинстве случаев требуется протестировать новый механизм в сборе, но изготовить отдельные компоненты в одном экземпляре слишком долго, дорого и весьма проблематично. На помощь приходят 3D принтеры с различной степенью детализации моделей.

Для функционального 3D тестирования рекомендуется использовать принтеры Objet 24 и 30, устройства Eden 250, 260V, 350, 500V, а также Objet 260 Connex, Connex 350 и 500. Для изготовления функциональных 3D моделей из пластика разработаны машины Dimension uPrint, uPrint+, Elite, SST 1200ES, а также Fortus 400mc и 900mc.

Использование технологии 3D печати в образовании позволяет получить наглядные пособия, которые отлично подходят для классных комнат любых образовательных учреждений, начиная от детских садов и заканчивая вузами.

Современные 3D принтеры отлично подходят для классных комнат, поскольку имеют повышенную надёжность, не выделяют во время печати вредных для здоровья продуктов, не предъявляют особых требований к утилизации, не содержат режущих и бритвенных материалов, не имеют лазеров.

Предполагается, что оснащение образовательных учреждений конструкторских или дизайнерских специальностей 3D принтерами поспособствует повышению эффективности образовательного процесса и быстрому усвоению знаний учащимися и студентами.

1.6 3D-печать в производстве одежды, обуви и ювелирных изделий

Принтеры с технологией 3D печати постепенно осваивают сферу производства одежды, и в первую очередь - производство моделей для высокой моды.

Не так давно голландский модельер Айрис Ван Херпен представила коллекцию «Напряжение», все модели которой были созданы при помощи 3D печати. Коллекция была представлена на Неделе высокой моды в Париже.

Технология 3D печати позволяет использовать для изготовления одного предмета одежды несколько различных материалов. Такой подход позволяет решить проблемы, связанные с прочностью и эластичностью изготавливаемых вещей.

Одежду, напечатанную 3D принтером, пока можно увидеть только на показах мод. Но не остаётся сомнений, что внедрение подобных изделий в массовое производство является лишь вопросом времени. Возможно, в ближайшем будущем мы сможем не выходя из дома напечатать себе новую рубашку, вечернее платье или даже шубу необходимого цвета и размера.

Первая пара обуви, напечатанная на 3D принтере, появилась в 2011 году благодаря стараниям шведских студентов. Сегодня трёхмерная обувь, напечатанная на принтерах, красуется на ведущих подиумах всего мира. Существенным преимуществом такой обуви является точный учёт индивидуальных особенностей её владельца, включая размер и форму стопы.

Внешний вид 3D обуви существенно отличается от традиционной, поэтому она будет пользоваться спросом среди креативных молодых людей, которые хотят подчеркнуть свою индивидуальность.

3D принтеры научились печатать не только женскую, но и мужскую обувь. Студент Лондонского колледжа моды Росс Бербер в своей дебютной коллекции представил пять пар обуви, напечатанных на принтере.

Для изготовления 3D обуви используют полиуретан, резину и пластик. Стоимость такой обуви пока слишком высока, чтобы наладить её массовое производство.

Как известно, при изготовлении ювелирных изделий самой трудоёмкой процедурой является создание восковых прототипов, которое требует колоссальных затрат времени. С появлением 3D принтеров у ювелиров появилась возможность быстро выращивать восковые модели украшений, предварительно разработанные в специальной программе.

Для создания прототипов ювелирных украшений с использованием 3D принтера используется специальный материал, по своему составу похожий на ювелирный воск.

Для печати прототипов ювелирных украшений можно использовать следующие 3D принтеры: Soldscape T76, Eden 260V и 500V, Objet260 Connex и др.



2. Зарубежная и отечественная практика 3D-печати

2.1 3D-печать за рубежом

Techfortrade, некоммерческая организация Великобритании, основанная в 2011 году, для обеспечения содействия развитию торговли с помощью перспективных технологий и борьбы с бедностью среди фермеров, рабочих и их сообществ. Расширение возможностей торговли имеет решающее значение для стран с низким доходом и целевой рынок для качественных продуктов и услуг в основании пирамиды огромен. Пока у 2.6 млрд человек на планете годовой доход менее 3000$ и еще 1.4 млрд имеют доход между 3000$ и 20000$ в год, общий оборот мирового рынка составляет более $25 млрд в год.

Однако есть некоторые существенные барьеры перед торговлей в основе пирамиды, не последним из них является бедная материальная инфраструктура, которая чрезвычайно затрудняет передвжение товаров и услуг. Главным мотивом Techfortrade в решении организовать международную встречу в 2012 году была перспектива, что 3D печать может бросить вызов неразвитой инфраструктуре, выявить преобразующие применения для технологии 3D печати, которая могла бы изменить жизни некоторых из беднейших людей в мире.

Решение о проведении созыва было принято под влиянием того факта, что в развивающихся рынках быстро формируется необходимая для реализации 3D печати технологическая экосистема. В нее входят уровень мобильного проникновения, доступ к Интернету с мобильных приложений или смартфонов и быстро падающая стоимость общедоступного оборудования 3D печати и дешевого мобильного сканирующего оборудования.

1-ого мая 2012 была запущена Выставка 3D для развития (3D4D), с призом в 100000$, на реализацию выигрышного проекта. Цели выставки были следующими:

* повысить осведомленность о возможностях 3D печати в развивающихся странах, путем подготовки ряда международных семинаров.

* дать участникам простой механизм для его применения где угодно в мире.

* краткий список лучших идей и назначение наставников для помощи финалистам в разработке их предложений.

* собрать финалистов вместе в Лондоне, чтобы представить их идеи независимой группе экспертов для выбора победителя.

К 6 августа 2012, дате окончания приема, Techfortrade получил более 70 заявок. Из длинного списка были выбраны семь финалистов. Это были:

* Борис Коган (Израиль) - маломерная, простая в производстве 3D распечатанная автоматизированная теплица для увеличения производства пищевых продуктов

* Washington Open Object Fabricators - WOOF (США) - позволяет повторно перерабатывать пластиковые отходы и производить на крупногабаритных 3D принтерах продукцию, востребованную в повседневной санитарии (компостируемые уборные)

* Проект EN3D (Канада) - 3D распечатанное средство слежения за солнцем для увеличения эффективности устойчивого производства энергии

* Fripp Design & Research (Великобритания) - 3D печать протеза мягких тканей (носы, уши) для пациентов с врожденными дефектами и травмированных

* Just 3D Print (Индия) - переработка ненужных материалов в экономичное и экологически рациональное сырье для труженников 3D печати

* Рой Омбэтти (Кения) - 3D распечатанная специальная обувь для пациентов, страдающих от инвазии мухи Джига

* Colalight (Великобритания) - группа собрала солнечную лампу, основанную на бутылке от колы, с деталями, сделанными на 3D принтере

В качестве победителя судьи выбрали проект WOOF. Проект WOOF создаст новые рабочие места, позволяя использовать ненужную пластмассу, как материал для создания продукта.

Команда проекта сотрудничает с организацией «Вода для человечества» (WFH) и их начальные продукты будут посвящены местным проблемам с водой и улучшению санитарных условий в Оахаке, Мексика.

Подготовка выставки 3D4D обеспечила возможность узнать о текущей картине людей и организаций, работающих над идеями связанными с использованием 3D печати на развивающихся площадках. Очевидно, что есть возрастающая группа ученых, предпринимателей и любителей 3D печати, работающих над рядом идей: от создания библиотек полезных 3D печатных продуктов, которые можно использовать в развивающихся странах, до проектов разработки транспорта на солнечных батареях для 3D принтеров. Вероятно, слишком рано, чтобы описать эту группу как сообщество, несмотря на то, что Выставка до некоторой степени объединила людей под символом «3D для развития (3D4D)».

Было также очевидно, что в мастерских требуются некоторые навыки для использования преимуществ технологии, имеющихся в больших запасах. Растущее сообщество «мастер», возникающее во многих развивающихся странах, основывается на традиции «справлюсь и починю», как наборе навыков, утерянных в большом количестве развитых стран. Также стоит упомянуть тот факт, что всё более и более молодые разработчики и студенты-инженеры компетентны в использовании программ CAD и быстро схватывают понятие 3D производства.

Также ясно, что даже в развивающихся странах молодые предприниматели ухватили идею использования 3D печати в качестве дешевого способа создания прототипов продукта и мелкосерийных изделий. Это важно, потому что даже с достижениями в технологии инъекционного литья, формы могут стоить минимум 5000 $ цена, которая недоступна для мелких предпринимателей в странах с низким доходом.

После Финала, поддерживалась связь со всеми нашими финалистами, и большинство из них добились большого прогресса в своих проектах, не смотря на то, что не выиграли приз. Выставка предложила эффективную основу для демонстрации проектов, и в результате многие финалисты позднее получили предложения о сотрудничестве.

Проект-победитель предлагает возможность протестировать проект производственного бизнеса для малых групп, которая включает вторичную переработку пластика и совершенствование локальных 3D производственных навыков в производстве ассортимента необходимых деталей и продукции для местных рынков. Он также использует общедоступные разработки для крупногабаритного печатного оборудования и оборудование для измельчения и экструдирования пластмассовых отходов.

Не смотря на то, что проект может стать основой для репликации и масштабирования инициатив, таких как WOOF и проекта Just 3D Printing, который имеет такие же цели, есть ряд задач, которые необходимо решить, прежде чем этот проект сможет иметь реальный коммерческий потенциал.

К этим задачам относятся:

* Разработка технологии производства материалов, для расширения ассортимента пластиков, подходящих для вторичной переработки и изготовления высококачественной нити простым и недорогим способом.

* Разработка технологии производства пигмента, чтобы стало возможным простое и дешевое изготовление маленьких партий цветной нити.

Обращение к первым двум задачам может позволить развивающимся странам поставлять нить на коммерческой основе, таким образом, рынок для 3D печатной нити быстро расширится за следующие несколько лет.

* Юридические проблемы, связанные с интеллектуальной собственностью, которые можно предотвратить, например, открыв доступ к файлам CAD для запасных частей.

* Лучшее понимание экономики мелкосерийного производства на основе 3D печати, по сравнению с более традиционным производством и распространением в развивающихся рынках.

Особенно нас интересует в развивающихся странах производство коммерческой сортовой нити из переработанной пластмассы, собранной и отсортированной на свалках. Мы не знаем ни одной организации, преследующей концепцию понятия «этичной нити». Джошуа Пирс, доцент кафедры материаловедения и машиностроения и кафедры электротехники и вычислительных устройств Мичиганского Технологического университета написал недавно в блоге Techfortrade:

«Один из наших главных проектов - создание открытого проекта RecycleBot, который может превратить ненужный пластик в 3D нить. У него есть возможность упростить сбор мусора в развивающихся странах для переработки пластика в ценные изделия для продажи или просто для обеспечения своих собственных потребностей. Использование устойчивого источника энергии и переработанной нити не только дают возможность помочь неимущим людям, но также и улучшают экологическую эффективность 3D печати».

В Techfortrade планируеется новые инициативы, которые, будут поощрять дальнейшие разработки, чтобы решить некоторые из этих проблем и постоянно в поисках совместного сотрудничества, которое поможет достичь цели.

2.2 3D-печать в России

Для России же трехмерная печать -- явление новое, но с каждым днем набирает обороты и получает все более широкое распространение. В качестве примера можно привести применение 3D-печати в сфере здравоохранения. Так, сейчас в стоматологической клинике при реконструкции челюсти, услышав этот термин -- не нужно бояться. А даже наоборот, ибо при использовании технологии “выращивания” модели на 3D-принтере снижается роль человеческого фактора, повышается качество и снижается время на изготовление необходимой модели. Наиболее популярна она в челюстно-лицевой пластике и стоматологической импланталогии. Технология позволяет точно подогнать имплантант и, как следствие, ускоряет процесс выздоровления пациента. Интересен тот факт, что имплантанты, изготовленные средствами 3D-технологий, стоят гораздо дешевле своих аналогов.

Импортеры

На российском рынке 3D-печати работает несколько поставщиков импортного оборудования, среди них дистрибьютор 3D Systems компания “Три Д формат” и дистрибьютор Stratasys фирма Jetcom. За пределами Москвы также есть компании, занимающиеся реализацией подобного оборудования. Например, Triton-Group предлагает системы быстрого прототипирования в Екатеринбурге. Развивается и сфера услуг в области 3D-печати. В частности, компания “Инвент” готова изготовить прототип , используя подготовленную клиентом компьютерную модель (3d-max, CAD, SolidWorks и т. д.), а также доработать модель для печати, создать модель по чертежам CAD или по эскизу или фотографии.

Отечественные разработки

Одним из производителей 3D-принтеров в России в настоящее время является компания Picaso, которая совсем недавно представила новинку PICASO 3D Designer, разработанную для персональных пользователей, и ориентированную на коммерческий сегмент рынка. Это уже второй 3D-принтер, сконструированный компанией, ранее она вывела на рынок устройство PICASO 3D Builder.

Так же естьзеленоградское СКБ Кипарис, которое сумело наладить выпуск принтеров 2 года назад, получив грант в 1,2 млн рублей от РосНано. Тогда их первые принтеры продавались по 50 тысяч рублей. Их электронная плата, переделанная Gen6, стоила тогда 5 тысяч рублей, а стол с датчиком - 1500 рублей. Сейчас они продают немного улучшенные принтеры за 65 тысяч, а принтеры следующего поколения Picaso уже за 80 тысяч рублей.

Проект Репрап-Россия из Нижнего Тагила. Они первые в России одновременно и собрали установку для производства прутка, и создали свою модификацию 3D-принтера "Хамелеон", а также сделали информационный буклет к нему. Принтер их конструкции будет стоить 37500 рублей при заказе через сайт. Maket-City из Курска, сделал 3D-принтер Люмен из алюминиевого стеллажного профиля по классической портальной схеме. Данный принтер в настоящее время предлагается за 44 тысячи рублей.

Print & Play из Новосибирска. За три года компания поднялась с нуля, без инвестиций, мелкосерийное производство 3D-принтеров собственной конструкции под маркой SibRap. Рама на спроектированных самостоятельно элементах из оргстекла толщиной 18 мм, собственные сопла, нагревательные элементы, электроника наполовину собственного производства, аккуратная сборка. Компания успешно продает свои принтеры в Сургут, Новокузнецк, Новосибирск. Часть принтеров изготовлена по собственным чертежам другими организациями и индивидуальными специалистами - это говорит о достаточно хорошем качестве проекта. Как истинные инженеры и ученые, компания продолжает вести исследования: в настоящее время идут исследования возможности печати прутком из полиэтилена низкого давления, улучшения конструкции принтера, освоение и локализация программного обеспечения. В настоящее время компания готова производить 10 принтеров в месяц под заказ по цене 40 тысяч рублей. Планитуется также производить дешевые наборы для любителей самостоятельной сборки, сопровождая набор подробными видеоинструкциями по сборке, калибровке и настройке печати собственного принтера. Для поддержки таких самостоятельных групп планируется опубликовать проект своего 3D-принтера под открытой лицензией, чтобы чертежи были доступны каждому желающему. А сейчас компания продает принтеры, пластик для печати и различные комплектующие и создаем обучающие ролики.



3. Развитие предприятий в отрасли производства 3D-принтеров

3.1.Закономерности корпоративного развития: этапы эволюции от предпринимателя до транснациональных корпораций

Теоретическая база развития фирмы.

Теоретические воззрения на определение размеров и структуры фирмы важны для практики бизнеса. Менеджеры, стокхолдеры или любые иные лица, определяющие стратегию развития компании, должны иметь возможность строить свои организации аналогично тому, как инженеры возводят сложнейшие конструкции или формируют тончайшие наноструктуры, опираясь на законы физики.

До недавнего времени экономическая наука . рассуждала о границах фирмы, преимущественно трактуя представления неоклассиков и их последователей. Однако практическая неприменимость и невозможность расчета предельных издержек, построения кривых спроса и предложения, абсолютная абстрактность смены технологий и т. п. оставили им лишь почетное место в университетских учебниках.

Тенденции современности постепенно смещают интересы ученых в пользу неоинституционального направления. Но и в этом случае ориентация на важное, но не определяющее условие существования фирмы-трансакционные издержки - делает путь определения размеров компании еще более извилистым, поскольку в данном случае объектом исследования являются не сами фирмы, а среда, в которой они оперируют, условия их существования и т.п..

При этом проблемы развития внутренней структуры фирмы были изначально вынесены за рамки этих противоборствующих научных направлений. Поэтому изучение столь важной темы нашло отражение в области исследований, непосредственно связанных с проектированием производства или построением систем менеджмента.

Первый уровень развития: предприниматель

При демонстрации закономерностей эволюции фирмы будем исходить из определения внутренних движущих сил развития и выявления способов их реализации. Основной целью и, следовательно, базовым движущим мотивом развития фирмы будем полагать стремление к получению прибыли. Этот тезис начал подвергаться в предыдущие несколько лет критике, однако можно предположить, что кризис конца предыдущего - начала нынешнего десятилетия поможет вернуть в научную среду его подлинную ценность, наглядно показав, что без корпоративных прибылей нет экономического развития. Исходя из этого деятельность любой коммерческой организации (в дальнейшем для удобства будем называть их фирмами) можно представить как процесс, состоящий из приобретения исходной продукции, ее трансформации (преобразования) и последующей реализации для получения прибыли. Такой процесс в простейшей его реализации воплощается одним человеком. Представление о фирме как системе, состоящей из одного человека, отличается от распространенных теоретический воззрений, но в экономиках разных стран в большом количестве присутствуют индивидуальные предприниматели, поэтому именно такую фирму будем рассматривать как первый уровень ее развития. Например, в США из 27,75 млн общего количества фирм по экономической переписи 2007 г. (2007 Economic Census) насчитывается 21,7 млн фирм без оплачиваемых работников и 1,3 млн фирм с одним работником.

Структура фирмы первого уровня в общем виде может быть изображена в виде последовательной системы, состоящей из обеспечивающего процесса (для наглядности разделенного на две составляющие - «вход» и «выход») и основного или производственного процесса - процесса трансформации продукции. Последовательной системой в целях исследования будем называть систему, в которой исключение хотя бы одного из элементов приведет к остановке деятельности всей системы.



Рис. Экономико-технологическая структура фирмы первого уровня развития

Можно предположить, что, начиная свой бизнес, владелец фирмы выберет или самостоятельно придумает наиболее эффективные из доступных ему современных методов производства. Организация производства будет сведена к наиболее точному и эффективному воплощению существующих технологий производства товаров или оказания услуг.

При формировании структурной модели эволюции фирмы будем полагать, что исходную продукцию можно приобрести в необходимом количестве по соответствующей рыночной цене. Аналогично предположим, что на весь объем выпускаемой фирмой продукции существует устойчивый трос и вся произведенная продукция поглощается рынком. То есть фирма реализует востребованную бизнес-идею.

Фирма первого уровня развития в силу ограниченных возможностей одного человека довольно узко специализирована на одном из возможных видов экономической деятельности. Поэтому на ее выходе- ограниченный выпуск небольшого ассортимента однородных товаров (услуг), производство которых, например, описывается шестью разрядами статистического кода NAICS. Это могут быть единичные предприниматели, такие как уличный торговец (street vendor, продавец газет - 451212 News Dealers and Newsstands US, флорист - 453110 Florists CAN), фермер (фермер, выращивающий пшеницу - farmer, 11140 Wheat Farming), торговец автомобилями (441310 Automotive Parts and Accessories Stores CAN) или мебелью (442110 Furniture Stores CAN) и др.

Рост фирмы до второго уровня развития: кооперация (фирма Р. Коуза)

Какими реальными способами располагают фирмы для увеличения объемов прибыли? Будем считать, что цена реализации на конкурентном рынке формируется извне (определяется спросом), поэтому у фирмы при производстве неизменной продукции существуют всего два взаимосвязанных и взаимообусловленных пути повышения прибыли. Это снижение затрат на единицу продукции и увеличение объемов ее производства (рис. 38). То есть минимизация затрат в общем случае определяется реализуемой технологией и тем, каким образом организовано производство.

а б

Рис. Увеличение объемов прибыли: а - при росте объемов производства; б - при снижении затрат в единице продукции

Конечно, при неэластичном спросе (в предельном случае - вертикальная кривая спроса) никакого повышения объемов производства не произойдет. Однако будем полагать, что рынки в большинстве своем характеризуются падающей кривой спроса, свидетельствующей о росте потребления по мере снижения цен.