3D-utskrift: vad du behöver veta

De är inte din farfars tusenskötskrivare eller din mammas prickmatris. De liknar faktiskt lite likhet med dagens dokument- eller fotoprinter, som bara kan skriva ut i tråkiga gamla två dimensioner. Som namnet antyder kan 3D-skrivare bygga tredimensionella föremål av olika material. De kommer mainstream, dyker upp hos detaljhandlare som Staples, Best Buy och Home Depot, och du kan köpa många 3D-skrivare och deras leveranser på Amazon.com och via andra online-butiker. Även om de fortfarande mest finns på butiksgolv eller i designstudior, i skolor och samhällscentra och i händerna på hobbyspelare, hittas 3D-skrivare i allt högre grad på arbetsbänkar, i rec-rum och kök - och kanske i ett hem nära dig, om inte din egen.

Vad är 3D-utskrift?

På sitt mest grundläggande är 3D-tryckning en tillverkningsprocess där material läggs ned, lager för lager, för att bilda ett tredimensionellt objekt. (Detta anses vara en tillsatsprocess eftersom objektet är byggt från grunden, i motsats till subtraktionsprocesser där material skärs, borras, malas eller bearbetas.) Även om 3D-skrivare använder olika material (t.ex. plast eller metall) och tekniker (se "Hur fungerar 3D-utskrift?" nedan), de delar förmågan att vända digitala filer som innehåller tredimensionell data - oavsett om de är skapade i ett datorstödd design (CAD) eller datorstödd tillverkning (CAM) -program, eller från en 3D-skanner - till fysiska objekt.

Är 3D-utskrift ens utskrift?

Ja, 3D-utskrift kan betraktas som utskrift, även om det inte är som det traditionellt har definierats. Den relevanta Websters definitioner av "tryckning" centrerar på produktion av trycksaker, publikationer eller fotografier, och producerar med hjälp av intryck (tillämpning av tryck). Ingen av definitionerna passar verkligen 3D-utskrift. Men ur ett teknologiskt perspektiv är 3D-utskrift en utväxt av traditionell tryckning, där ett lager material (vanligtvis bläck) appliceras. Vanligtvis är det så tunt att det inte finns någon märkbar höjd (men med massiva bläckskrivare är den något tjockare). Vad 3D-utskrift gör är att höja höjden kraftigt genom att använda flera lager. Så det skulle vara vettigt att utöka definitionen av tryckning så att den inkluderar tillverkning av tredimensionella objekt på detta sätt.

Hur fungerar 3D-utskrift?

Liksom traditionella skrivare använder 3D-skrivare en mängd olika tekniker. Den mest kända är fused deposition modellering (FDM), även känd som fused filament fabrication (FFF). I den smälts ett filament - sammansatt av akrylnitrilbutadienstyren (ABS), polymjölksyra (PLA) eller en annan termoplast - genom ett upphettat extruderingsmunstycke i lager. De första 3D-skrivarna som kom på marknaden, tillverkade i mitten av 1990-talet av Stratasys med hjälp av IBM, använde FDM (en term som varumärket av Stratasys), liksom de flesta 3D-skrivare som är inriktade på konsumenter, hobbyister och skolor.

En annan teknik som används i 3D-utskrift är stereolitografi. I den lysas en UV-laser till ett vat av ultraviolettkänslig fotopolymer, vilket spårar föremålet som ska skapas på dess yta. Polymeren stelnar varhelst strålen rör den, och strålen "skriver ut" objektet lager för lager enligt instruktionerna i CAD- eller CAM-filen den arbetar med.

I en variant av det har du också 3D-utskrift för digital ljusprojektor (DLP). Denna metod exponerar en flytande polymer för ljus från en digital ljusbearbetningsprojektor. Detta härdar polymerlagret för lager tills föremålet är byggt och den återstående flytande polymeren dräneras bort.

Multi-jet-modellering är ett bläckstrålesliknande 3D-tryckningssystem som sprutar ett färgat, limliknande bindemedel på på varandra följande pulverlager där objektet ska formas. Detta är bland de snabbaste metoderna och en av få som stöder multicolor-utskrift.

Det är möjligt att modifiera en vanlig bläckstråleskrivare för att skriva ut med annat material än bläck. Investerande gör-det-själv-användare har byggt eller modifierade skrivhuvuden, vanligtvis piezoelektriska huvuden, för att arbeta med olika material - i vissa fall skriver de ut skrivhuvudena själva på andra 3D-skrivare! Företag som MicroFab Technologies säljer 3D-kapabla skrivhuvuden (såväl som kompletta trycksystem).

Selektiv lasersintring (SLS) använder en högdriven laser för att smälta partiklar av plast, metall, keramik eller glas. I slutet av jobbet återvinns det återstående materialet. Elektronstrålsmältning (EBM) använder - du gissade det - en elektronstråle för att smälta metallpulver, lager för lager. Titan används ofta med EBM för att syntetisera medicinska implantat, såväl som flygplansdelar.

Beroende på teknik kan 3D-skrivare använda en mängd olika material, inklusive men inte begränsat till metaller (rostfritt stål, lod, aluminium och titan bland dem); plast och polymerer (inklusive kompositer som kombinerar plast med metaller, trä och andra material); keramik; plåster; glas; och till och med livsmedel som ost, glasyr och choklad! (Se vår primer för filamenttyper för 3D-skrivare.)

Vem uppfann 3D-utskrift?

Den första 3D-skrivaren, som använde stereolitografitekniken, skapades av Charles W. Hull i mitten av 1980-talet. Stereolitografi är till stor del en dyr kommersiell teknik, med maskiner som ofta kostar $ 100 000 eller mer.

1986 grundade Hull 3D Systems, ett företag som idag säljer 3D-skrivare som använder en mängd olika tekniker. De sträcker sig från ingångssatser till avancerade kommersiella system, och 3D-system tillhandahåller även on-demand-delstjänster, mestadels till företag.

Vilka är fördelarna med 3D-utskrift?

Med 3D-utskrift har designers möjlighet att snabbt förvandla koncept till 3D-modeller eller prototyper (alias "snabb prototyp") och genomföra snabba designändringar. Det låter tillverkare producera produkter på begäran snarare än i stora körningar, vilket förbättrar lagerhanteringen och minskar lagerutrymmet. Människor på avlägsna platser kan tillverka föremål som annars skulle vara otillgängliga för dem.

Från praktisk synvinkel kan 3D-utskrift spara pengar och material kontra subtraktiva tekniker, eftersom mycket lite råmaterial slösas bort. Och det lovar att förändra tillverkningens natur och så småningom låta konsumenterna ladda ner filer för att skriva ut även komplexa 3D-objekt - inklusive till exempel elektroniska enheter - i sina egna hem.

Vad kan 3D-skrivare göra?

Formgivare använder 3D-skrivare för att snabbt skapa produktmodeller och prototyper, men de används alltmer också för att göra slutprodukter. Bland de föremål som tillverkats med 3D-skrivare är skodesign, möbler, vaxgjutningar för att göra smycken, verktyg, stativ, present- och nyhetsartiklar och leksaker. Fordonsindustrin och flygindustrin använder 3D-skrivare för att tillverka delar. Konstnärer kan skapa skulpturer och arkitekter kan tillverka modeller av sina projekt. Arkeologer använder 3D-skrivare för att rekonstruera modeller av bräckliga artefakter, inklusive några av de antikviteter som de senaste åren har förstörts av ISIS. På samma sätt kan paleontologer och deras studenter duplicera dinosaurskelett och andra fossiler. Kolla in vårt galleri med enkla och praktiska 3D-skrivarobjekt.

Läkare och medicinska tekniker kan använda 3D-utskrift för att göra proteser, hörapparater, konstgjorda tänder och bentransplantat, samt replikera modeller av organ, tumörer och andra inre kroppsliga strukturer från CT-skanningar som förberedelse för kirurgi. Ett bra exempel är Project Daniel, som 3D-trycker protesarmar och händer för offren för våldet i Sudan. Dessutom utvecklas 3D-skrivare som kan lägga ned lager av celler för att skapa konstgjorda organ (som njurar och blodkärl) redan i FoU-fasen. Det finns till och med en plats för 3D-utskrift i kriminaltekniker, till exempel för att kopiera en kula som ligger inuti ett offer.

Tryckt elektronik är en uppsättning utskriftsmetoder som gör det möjligt att skriva ut elektroniska enheter eller kretsar på flexibelt material såsom etiketter, tyger och kartong, med användning av elektroniska eller optiska bläck. Det tillhandahåller mycket billiga tillverkning av enheter med låg prestanda. Tryckt elektronik börjar kombineras med 3D-utskrift, vilket gör det möjligt att skriva ut lagrade kretsar eller enheter. En naturlig utväxt av denna kraftiga kombination är att du en dag kanske kan skriva ut prylar från 3D-planer snarare än att köpa dem.

Matlagning är ett annat sätt 3D-skrivare kan användas. French Culinary Institute har använt en öppen källkod 3D-skrivare utvecklad vid Cornell University för att förbereda konstnärliga delikatesser, och MIT har skapat en 3D-matskrivare som heter Cornucopia. Ett litet antal restauranger testar prototyper för livsmedelsskrivare. NASA: s 3D-utskriftsforskning har inkluderat mattryck, såsom 3D-tryckt pizza.

En handfull 3D-skrivare för livsmedel har blivit kommersiellt tillgängliga. De tenderar att fokusera på vissa livsmedel, som choklad, pannkakor eller kakor.

Vad är 3D-utskriftstjänster?

Du behöver inte äga en 3D-skrivare för att dra nytta av en. Många 3D-utskriftstjänster, som Shapeways och Sculpteo, skriver ut gåvor och andra småföremål på beställning på sina egna 3D-skrivare, och skickar sedan dem till kunden. Kunder kan antingen skicka in sina egna 3D-objektfiler eller välja objekt, de flesta av dem designade av andra användare av tjänsten, från en online-katalog.

Men 3D-utskriftstjänster är inte längre enbart specialister. Stora företag som Staples och UPS har introducerat 3D-utskriftstjänster, och vissa traditionella tryckbutiker har lagt till 3D-utskrift till deras repertoar.

Var kan jag få en 3D-skrivare?

De flesta 3D-skrivartillverkare säljer sina produkter direkt online. Många e-tailers har nu lager av dem, inklusive endast företag online som Amazon.com, och andra som också har tegel- och murbrukaffärer. Några av de senare, till exempel Walmart, Best Buy och Staples, erbjuder dem i såväl butiker som online, men se till att det finns tillgång till butiker på deras webbplatser eftersom inte alla butiker har dem. Flera 3D-skrivare har öppnat i större städer. Till exempel har iMakr butiker i London och New York City.

Några onlinebutiker är specialiserade på 3D-skrivare, till exempel Dynamism, som säljer en rad 3D-skrivare från olika märken och också ger kundsupport.

Vilken programvara behöver jag för 3D-utskrift?

Nästan alla 3D-skrivare accepterar filer i det som kallas STL-format (benämnd för stereolitografi). Dessa typer av filer kan produceras av de flesta CAD-programvaror, från dyra kommersiella paket som AutoCAD till gratis eller öppen källkodsprodukter som Google SketchUp och Blender. För dem som inte är benägna att skapa sina egna 3D-filer erbjuder 3D-objektdatabaser som MakerBots Thingiverse många 3D-objektfiler som kan laddas ner och skrivas ut.

De flesta 3D-skrivare har en programvarusvit, antingen levererad på disken eller tillgänglig för nedladdning, som inkluderar allt du behöver för att få utskrift. Sviterna tillhandahåller vanligtvis ett program för styrning av skrivaren och en skärare, som, som förberedelse för utskrift, formaterar objektfilen i lager baserat på den valda upplösningen och andra faktorer. Vissa sviter har ett program för att "läka" objektfilen genom att korrigera problem som kan störa smidig utskrift. Programmen kom från RepRap-rörelsen med öppen källkod, från vilken hobby 3D-tryckning utvecklades. Med vissa skrivare kan du välja de enskilda komponentprogrammen att ladda ner istället för att gå med vad som finns i sviten.

Vad håller framtiden för 3D-utskrift?

En mängd 3D-skrivare för hem och små företag är lättillgängliga - PCMag har granskat en hel del av dem - men de ses fortfarande ofta som exotiska och ganska dyra kontroverser. Räkna med att det kommer att förändras inom de närmaste åren, när 3D-skrivare kommer att bli vanligare i hus - som finns på arbetsbänkar, i studior, hemmakontor och till och med i köket. Du kanske inte hittar dem i varje hushåll, men de kommer att bli nödvändiga för de människor som har dem. För det mesta har artiklar gjorda med 3D-skrivare haft homogena inredningar, men vi börjar se mer komplexa skapelser som kombinerar flera material och kompositer samt utskrivbar elektronik. Med dagens 3D-skrivare kan du skriva ut ett nytt lock om du tappar din TV-fjärrkontrollens batterilucka. Med morgondagens, om du tappar fjärrkontrollen, kan du skriva ut en ny fjärrkontroll.

3D-utskrift får också fotfäste i det yttre rymden. NASA experimenterar med 3D-skrivare ombord på den internationella rymdstationen. Så småningom kan 3D-skrivare användas för att skapa livsmiljöer på Mars och andra världar. För att rädda Apollo 13-astronauterna från att dö av kolmonoxidförvärvning, måste NASA i själva verket hitta ett sätt att anpassa en fyrkantig pinne i ett runt hål. Hade det funnits en 3D-skrivare ombord, kan de ha kunnat enkelt lösa problemet genom att designa och skriva ut ett kontaktdon.

Astronauter kan inte svänga av Home Depot om de behöver byta ut en ventil eller widget, men en 3D-skrivare kan tillverka en efter behov. På samma sätt kommer vi att se 3D-skrivare i Antarktiska baser och andra avlägsna jordiska platser, där folk inte kan vänta i sex månader på nästa återupptag för att ersätta viktiga delar eller verktyg.

Medicinska tillämpningar av 3D-utskrift slutar inte med proteser, hörapparater och tandkrona. (Se "Vad kan 3D-skrivare göra?" Ovan för en förhandsgranskning av vad som finns i verken.) Ersättningsdelar behöver inte begränsas till det mekaniska.

Under de senaste åren har vi sett en explosion i variationen och användningen av 3D-skrivare. Det liknar där personlig datoranvändning var omkring 1980. Även om det är tillräckligt enkelt att se några av de områden som fältet för 3D-utskrift kommer att förgrena sig till, är andra bortom vår förmåga att förutsäga, precis som ingen omkring 1980 kunde ha föreställt sig mycket av vad persondatorn skulle förvandlas till. Det är möjligt att 3D-utskrift kanske inte har samma inverkan som datorn, men det har potentialen att revolutionera tillverkningen och, kanske viktigare, få den till händerna på vardagliga konsumenter. En sak är dock säker: 3D-utskrift är här för att stanna.

För mer, kolla in vår guide till de 10 bästa 3D-skrivarna och några insikter från en tidig adopter.