Исследователи из Вашингтонского университета разработали на основе трехмерной печати серию пластиковых подключаемых устройств, которые поддерживают связь с приемниками Wi-Fi без электронного оборудования.

В устройствах применяются технологии обратного рассеяния – при передаче нулей и единиц внешние сигналы Wi-Fi либо поглощаются, либо отражаются.

После этого информация, содержащаяся в отраженных шаблонах, может быть декодирована приемниками Wi-Fi.

«Наша цель заключалась в создании неких приспособлений, распечатываемых на домашнем 3D-принтере, с помощью которых можно было бы передавать полезную информацию на другие устройства, – сообщил представитель группы исследователей, сотрудник кафедры электротехники Вашингтонского университета Викрам Айер. – Главный вопрос заключался в том, как организовать беспроводную связь Wi-Fi исключительно при помощи пластика? Ранее такого еще не делал никто».

Приемник, встроенный в бутылку с моющим средством может отследить, сколько его было израсходовано, и в момент, когда его остаток опустится ниже определенного порога, автоматически направить приложению указание оформить заказ на новую порцию Источник: Mark Stone/University of Washington

В основе каждого устройства – модели САПР, которая становится общедоступной – лежит переключатель, соединенный с пружиной. Пластиковая шестерня прижимается к пружине для создания контакта с антенной, изготовленной из проводящей нити.

Какое-либо физическое движение – нажатие кнопки, перемещение потока жидкости, поворот ручки – вызывает вращение шестерни с закрепленной на ней пружиной, в результате чего антенна подключается и отключается, меняя свое отражающее состояние.

Энергия спиральной пружины приводит в действие редукторную систему, а ширина и форма зубьев определяет, как долго переключатель обратного рассеяния будет контактировать с антенной, формируя отраженные сигналы, которые можно декодировать.

«Такая возможность упрощает организацию подключения, позволяя загружать и использовать наши вычислительные модули конструкторам без специальных инженерных знаний, необходимых для интеграции радиомодулей и других электронных компонентов в физические приспособления», – пояснил Айер.

Исследователи, частично финансируемые Google, разработали на основе этого устройства целый ряд виджетов, включая анемометр, датчик расхода жидкости, кнопку, поворотный циферблат и ползунок.

Среди сценариев их использования предлагаются ползунок без батареи, регулирующий громкость музыки, кнопка, автоматически заказывающая на Amazon дополнительный объем кукурузных хлопьев, и датчик воды, посылающий на телефон пользователя сигнал тревоги при обнаружении утечки.

«Когда вы выливаете моющее средство из бутылки, скорость и продолжительность вращения шестерни позволяют определить его расход, – пояснил профессор Шиам Голлакота. – А взаимодействие распечатанного на 3D-принтере переключателя и антенны инициирует беспроводную передачу соответствующих данных. Приемник может отследить, сколько моющего средства было израсходовано, и в момент, когда его остаток опустится ниже определенного порога, автоматически направить приложению Amazon указание оформить заказ на новую порцию».

Более подробно процесс функционирования системы был описан в статье «3D Printing Wireless Connected Objects».

Группа исследователей из Массачусетского технологического института удалось разработать метод трехмерной печати «чернилами», сделанными из генетически запрограммированных живых клеток бактерий, которые начинают фосфоресцировать при контакте с определенными химическими веществами. Из них можно создавать трехмерные, интерактивные конструкции. Для иллюстрации метода авторы напечатали «живую татуировку» — тонкую, прозрачную пленку с рисунком из живых клеток в виде дерева, ветви которого реагируют на разные вещества. Если пленку приложить к участку кожи, который был в контакте с одним из веществ, соответствующая ветвь дерева начнет светиться.

Попытки напечатать на 3D-принтере конструкции из живых клеток предпринимались и ранее, но без особого успеха, поясняют авторы, так как при этом использовались клетки млекопитающих, а не более устойчивые к внешним воздействиям клетки бактерий. Кроме того, бактерии могут жить в гидрогеле, и такая смесь подходит для использования в качестве чернил для 3D-принтера.

Расположив клетки в несколько слоев, исследователи сумели даже заставить их светиться в зависимости от состояния других клеток. Возможно, когда-нибудь на основе этих методов удастся создать «живые компьютеры».

Созданное исследователями из Массачусетского технологического института устройство позволяет изготовлять нановолокна с той же скоростью и затратами энергии, что и лучшие из современных устройств, но волокна при этом получаются гораздо более однородными по толщине. Это важно во многих случаях — например, при изготовлении из волокон фильтров для воды. Однако главное преимущество новых устройств в том, что их можно печатать на обычном промышленном трехмерном принтере ценой в 3500 долл.

Нановолокна сейчас изготавливают методом электроспиннинга, пропуская жидкий полимер через капилляры под воздействием высокого напряжения. Исследователи сумели напечатать на 3D-принтере «сито» со спиральными капиллярами, сужающимися по длине. Через них полимер подается в выходные каналы, из которых вытягивается электростатическими силами, образуя тонкую нить — нановолокно.

Новый метод изготовления капилляров позволяет, помимо прочего, гораздо быстрее испытывать и менять их конструкцию. Раньше исследователи делали их в герметичной комнате с помощью микроэлектронных технологий. Путь от теоретической модели до результата занимал два года и за это время удавалось испытать только два-три варианта. С новым методом за год исследователи проверили 70 вариантов.

Площадь дома составляет 300 квадратных метров. Строительство началось в 2015 году. Печатали здание по частям (стены дома, декоративные элементы, башню), везли на стройплощадку и собирали как конструктор. Летом 2017 года завершили крышу и провели основной объем внутренних отделочных работ. При строительстве использовалось оборудование ярославской компании «АМТ-Спецавиа», которая является первым в Европе серийным производителем строительных 3D-принтеров, говорится на сайте.

Дом построен по всем правилам, сопровождающим любое строительство, – рассказал генеральный директор группы компаний «АМТ-Спецавиа» Александр Маслов. По его словам, было важно показать на практике, что строительная 3D-технология работает. Пока шло строительство, оборудование усовершенствовалось: возросла скорость печати, повысилось качество. Но даже первая модель показала себя как работоспособное оборудование, поделился Маслов.

В России строительные принтеры компании используются на территории всего Центрального федерального округа, на Урале, в Сибири, Санкт-Петербурге, Ростове-на-Дону, Ставропольском и Краснодарском краях, в Крыму. Также закупают оборудование в Молдове, Казахстане. Аналогичный строительный принтер поставлен в Данию, где с его помощью возводится первое в Европе отпечатанное офисное здание.

Высокое разрешение современных 3D-принтеров — 600 точек на дюйм дает проектировщикам детальный контроль над физическими свойствами распечатываемых объектов, в том числе над плотностью, жесткостью и характером деформации под давлением. Но даже при небольших габаритах предмета прогнозирование его физических свойств для всех возможных сочетаний всего двух материалов оказывается непозволительно долгим.

Исследователи из МТИ разработали систему проектирования, которая заранее каталогизирует физические свойства огромного количества малых кластеров объемных пикселов. Такие кластеры затем можно использовать для «сборки» более крупных распечатываемых объектов. Таким образом, сама система оценивает физические характеристики на микроскопическом уровне, позволяя рационально с вычислительной точки зрения выполнять аналогичный анализ в макромасштабах.

По оценке исследователей, их подход позволяет эффективно моделировать физические характеристики распечатываемых объектов, состоящих из триллиона элементов и более.

По данным аналитиков IDC, в 2016 году количество проданных в мире 3D-принтеров выросло на 29%. В денежном выражении продажи увеличились более чем на 18%.

Быстрый рост мирового рынка 3D-принтеров продолжается, отмечают аналитики. Появляются новые технологии и материалы для трехмерной печати, что приводит к росту спроса на 3D-принтеры и к более интенсивному использованию уже установленного оборудования. Рост отмечается во многих важных технологических сегментах — моделирования методом наплавления (FFF/FDM), стереолитографии (SLA) и расплавления материала в слое (Powder-bed Fusion). При этом быстрее других растут сегменты FFF/FDM и стереолитографии. Поставки принтеров, работающих по этим технологиям, выросли в 2016 году почти на 30%. В денежном выражении больше всего (почти на 40%) вырос сегмент принтеров, использующих метод расплавления материала в слое.

На долю китайских производителей, выпускающих FFF/FDM-принтеры начального уровня (Flashforge, XYZ Printing, Tiertime и других), приходится более 30% проданных за год принтеров, но менее 5% денежных поступлений. Напротив, компании Stratasys и 3D Systems реализовали лишь чуть более 6% от общего числа трехмерных принтеров, но получили более 30% общей выручки.

Компания Nano Dimension, израильский разработчик оборудования 3D-печати, в рамках программы бета-тестирования начала поставки настольного аппарата, способного изготавливать многослойные печатные платы.

3D-принтер Nano Dimension Dragonfly 2020 позволяет выпускать прототипы и небольшие партии плат, ускоряя время проектирования с недель до часов, объясняет Амит Дрор, сооснователь и генеральный директор стартапа.

Dragondfly 2020 действует по принципу нанесения особых «чернил» с последующим тепловым отверждением. Аппарат позволяет формировать таким образом платы, число слоев в которых ограничено только высотой рабочей области принтера.

Число слоев в платах, которые производятся на Dragonfly 2020, ограничено только высотой рабочей области принтера. Источник: Nano Dimension

Вначале аппарат наносит диэлектрический материал, а поверх него — чернила на основе серебра, используемые для формирования дорожек. По словам Дрора, чернила вначале отверждаются и спекаются для избавления от растворителей, затем плавятся и только после этого выдавливаются через сопло: «Наночастицы серебра плавятся при относительно низких температурах — 100-200 градусов Цельсия. После спекания остается чистое серебро, для плавления которого уже нужно нагревание до 900 градусов. Насколько я знаю, мы единственные, чей принтер способен с высоким разрешением печатать материалами двух типов, — диэлектрическим и проводящим, способными выдерживать высокие температуры».

Dragonfly 2020 распечатывает проводящие дорожки шириной около 100 мкм; при этом для получения нужной ширины он делает несколько порходов.

По словам Дрора, коммерчески доступный вариант 3D-принтера будет стоить около 200 тыс. долл.

Nano Dimension, основанная в 2012 году, впервые представила Dragonfly 2020 на конференции SolidWorks World в январе 2016 года. В том же году компанию упомянули аналитики Gartner в докладе «Перспективные участники индустрии 3D-печати». В нем говорилось: «Принтер компании можно назвать удачной инженерной разработкой на стыке электроники, машиностроения и программирования. С помощью оборудования Nano Dimension можно будет организовывать масштабируемое производство печатных плат по индивидуальным заказам. Такие платы можно было бы снабжать уникальными метками, благодаря которым подделка стала бы чрезвычайно трудной, если не невозможной».

По словам Дрора, Nano Dimension в рамках бета-тестирования сотрудничает с десятью заказчиками, в числе которых — американские банки, медицинская компания, предприятие военно-промышленного комплекса и участники электронной отрасли. Конкретные имена в Nano Dimension не уточняют ввиду наличия соглашений о конфиденциальности.

Рынок печатных плат, чей объем в 2016 году составлял 63,5 млрд долл., к 2021 году, согласно прогнозу BCC Research, вырастет до 73,8 млрд долл.; среднегодовой рост будет составлять 3,1%.

Обычно поставщики электронных устройств для выпуска печатных плат заключают контракты с производителями из Азии. Самостоятельная печать прототипов позволяет не только защитить интеллектуальную собственность компании, но и дает возможность малозатратно проверять новые идеи, подчеркивает Дрор: «Пока от контрактного производителя будет получен прототип, могут пройти недели. Мы же предлагаем возможность создавать и дорабатывать прототипы, готовя их к тестированию за несколько часов, а не недель».

Nano Dimension — не первый создатель 3D-принтера печатных плат. В 2015 году компания Voltera успешно профинансировала аналогичный проект через Kickstarter. Ее аппарат Voltera V-One, печатающий проводящими и изолирующими чернилами платы для прототипирования, собрал в рамках кампании краудсорсинга почти впятеро больше, чем 70 тыс. долл., которые запрашивались изначально. Начать поставки своих 3D-принтеров, которые будут стоить в США будут 2199 долл., в Voltera собираются до конца июня.

В 2015 году специалисты Гарвардского университета объявили о создании 3D-принтера, способного распечатывать электронику термопластиками и серебряными чернилами с высокой проводимостью.

Этот принтер, продажей которого занималась компания Voxel8, стоил в США в базовой комплектации 8999 долл. Он был выпущен в ограниченном количестве, и сегодня уже не предлагается — в компании разрабатывают новую, более развитую платформу.

Терри Волерс, президент компании Wohlers Associates, занимающейся анализом рынка 3D-печати, отметил, что у Nano Dimension практически нет конкурентов, предлагающих аппараты для изготовления прототипов и небольших партий плат.

В отдаленном будущем, по мнению аналитика, промышленные 3D-принтеры смогут выпускать электронные схемы и компоненты, соответствующие форме устройства, вместе с его пластиковым корпусом. Сегодня же происходит наоборот, электронные устройства приходится подгонять под размеры печатной платы.

«Со временем рынок печатных плат, изготовленных на 3D-принтерах, может стать весьма большим, но для этого еще придется решить немало проблем, — полагает Волерс. — Одна из них — отсутствие возможности печати большим количеством материалов, другая — ограниченная скорость, третья — большая стоимость изготовления достаточно больших партий».