С начала нового тысячелетия понятие «3D» прочно вошло в нашу повседневную жизнь. В первую очередь, мы связываем его с киноискусством, фотографией или мультипликацией. Но едва ли сейчас найдётся человек, который хотя бы раз в жизни не слышал о такой новинке, как 3D-печать.
Что же это такое и какие новые возможности в творчестве, науке, технике и повседневной жизни несут нам технологии трехмерной печати, мы и попытаемся разобраться в статье, приведенной ниже.
Например, снижение веса на 225 кг на самолете может привести к экономии топлива на четверть миллиона долларов в год. Как и во многих других уже доступных машинах, экструзионные экструдеры используются для создания небольших предметов повседневной жизни, таких как костюмы. Разница в этом проекте заключается в создании расходных материалов для принтеров путем переработки самых разных пластиковых объектов. Программа приносит с собой несколько уже созданных объектов.
В дополнение к уже созданным шаблонам вы можете создавать свои собственные объекты. Пользователь также может адаптировать их и загружать другие объекты в Интернете. Несколько лет назад было высказано предположение, что в будущем мы будем иметь виртуальные объекты, трансформированные в реальность.
Но сначала немного истории. Хоть и много стали говорить о 3D печати только последние несколько лет, на самом деле эта технология существует уже достаточно давно. В 1984 году компания Charles Hull разработала технологию трёхмерной печати для воспроизведения объектов с использованием цифровых данных, а двумя годами позже дала название и запатентовала технику стереолитографии.
Этот способ активности значительно возрастает в мире и в Бразилии, что связано с тем, что увеличение производительности труда, помимо того, что стоимость инвестиций дешевле, чем другие средства производства. Кроме того, трехмерная печать в Бразилии была востребована инженерными компаниями и клиническими мерами, поскольку из-за наличия прототипа этой части и в этом, чтобы проверить в «практике», как продолжить операцию.
Вы хотите создать небольшой бизнес с большим потенциалом дохода? Для достижения этой цели необходимо знать, как работает служба, и что нужно, чтобы практиковать ее. На протяжении многих лет этот способ печати значительно улучшился, получив большую гибкость и скорость, чтобы печатать пластиковые предметы, готовые за более короткое время, помимо высокого качества. Первоначальная конструкция чертежа, которая приведет к созданию объекта, имеет первостепенное значение, поскольку на данном этапе все детали определяются и создаются, и забывание любого из них может привести к дефекту объекта при печати.
Тогда же эта компания разработала и создала первый промышленный 3D принтер. Впоследствии эстафету приняла компания 3D Systems, разработавшая в 1988 году модель принтера для 3Д печати в домашних условиях SLA – 250.
В том же году компанией Scott Grump было изобретено моделирование плавлеными осаждениями. После нескольких лет относительного затишья, в 1991 году компания Helisys разрабатывает и выпускает на рынок технологию для производства многослойных объектов, а через год, в 1992, в компании DTM выходит в свет первая система селективного лазерного спаивания.
В конце концов, некоторые машины могут достичь миллионов, которые будут созданы, не более «честные», чем некоторые гарантии, не так ли? Итак, первым шагом к началу вашего бизнеса является определение типа продукта, который будет напечатан, например, протезы для людей и животных, кухонная утварь, браслеты, очки и другие предметы. Кроме того, важно искать клиентов и, прежде чем вы даже начнете приобретать оборудование, проверьте, заинтересованы ли они, если они хотят сотрудничать с вашим бизнесом, который будет собран.
Хорошим советом является поиск волос, которые обычно являются хорошими клиентами. В этом случае важно понимать, что на рынке существует несколько моделей этого оборудования, и рекомендуется исследовать, какие версии наиболее подходят для типа продукта, который вы собираетесь печатать. Чтобы получить соответствующий результат, необходимо изучить, какие материалы обычно используются для каждого объекта, если они могут предложить качество и сопротивление после инжекции принтером. В этом случае необходимо покупать нити из пластмасс или других материалов, которые находятся в состоянии натура, будучи готовыми к сливу с лазером машины.
Затем, в 1993 году основывается компания Solidscape, которая и приступает уже к серийному производству принтеров на струйной основе, которые способны производить небольшие детали с идеальной поверхностью, причём при относительно небольших затратах.
Тогда же Массачусетский университет патентует технологию трёхмерной печати, подобную струйной технологии обычных 2D принтеров. Но, пожалуй, пик развития и популярности 3D печати всё же пришёлся на новый, 21 век.
Все объекты, напечатанные на трехмерном принтере, построены из виртуального проекта, поэтому принципиально важно, чтобы у вас была профессиональная подготовка для разработки продуктов во всех их деталях, иначе они могут представлять недостатки дизайна или его эксплуатации, что привело к финансовым потерям.
Таким образом, можно будет гарантировать качество услуг, которые будут предоставляться вашей компанией, а также внедрить инновации благодаря созданию продуктов с эксклюзивными моделями. Убедитесь, что ваши клиенты заинтересованы, и, если они есть, спросите, заинтересованы ли они в заключении с вами контракта на следующий месяц, например. Делая это, вы также узнаете, кто ваши конкуренты, так как вы будете проинформированы, если они уже будут покупать у другого, а также за цену.
В 2005 году появился первый , способный печатать в цвете, это детище компании Z Corp под названием Spectrum Z510, а буквально через два года появился первый принтер, способный воспроизводить 50% собственных комплектующих.
В настоящее время круг возможностей и сфер применения 3Д печати постоянно растёт. Этим технологиям оказалось подвластно всё - от кровеносных сосудов до коралловых рифов и мебели. Впрочем, о сферах применения данных технологий мы поговорим чуть позже.
Независимо от типа бизнеса, который вы хотите настроить, очень важно сделать планирование. Сегодня дома и здания полностью построены с помощью трехмерных принтеров, и тенденция заключается в том, чтобы стать чем-то более распространенным. Первоначально принтер имел две основные функции: создание лампочек для затвердевания смолы и ускорение изготовления полимерных деталей. Лампы были первыми объектами, выполненными с принтером, но их наибольший успех был в впечатлениях от пластиковых деталей. Эти объекты занимали в среднем от шести до восьми недель, чтобы подготовиться, но с использованием принтеров время было сокращено, а точность увеличилась.
Вкратце - это построение реального объекта по созданному на компьютере образцу 3D модели. Затем цифровая трёхмерная модель сохраняется в формате STL-файла, после чего 3D принтер, на который выводится файл для печати, формирует реальное изделие.
Сам процесс печати – это ряд повторяющихся циклов, связанных с созданием трёхмерных моделей, нанесением на рабочий стол (элеватор) принтера слоя расходных материалов, перемещением рабочего стола вниз на уровень готового слоя и удалением с поверхности стола отходов.
Впоследствии эта технология совершенствуется в современных принтерах, которые мы знаем сегодня. Рисунок 1 - Чак Халл. Что касается операции, то большая эволюция заключается в том, что с помощью этих машин больше не нужно реализовывать проект для каждой точки зрения, поскольку впоследствии это делается кем-то, квалифицированным для этой функции. Благодаря этой системе гарантируется большая точность выполнения проекта, поскольку возможные ошибки, которые могут возникнуть во время изготовления, уменьшаются, поскольку машина точно соответствует инструкциям материала, который ему был предоставлен.
Циклы непрерывно следуют один за другим: на первый слой материала наносится следующий, элеватор снова опускается и так до тех пор, пока на рабочем столе не окажется готовое изделие.
Применение трехмерной печати – это серьезная альтернатива традиционным методам прототипирования и мелкосерийному производству. Трёхмерный, или 3д-принтер, в отличие от обычного, который выводит двухмерные рисунки, фотографии и т. д. на бумагу, даёт возможность выводить объёмную информацию, то есть создавать трёхмерные физические объекты.
При получении инструкций принтеры могут работать по-разному, в общем, они делят кусок на несколько слоев, которые будут напечатаны снизу вверх. Материал также можно наносить несколькими способами, причем наиболее традиционным является перекрытие нескольких слоев, которые склеиваются с помощью картриджа с специальным клеем. Второй способ - применение струй порошкового материала, которые соединены содержимым картриджа с адгезивным материалом, это самый быстрый способ печати. Существует также еще одна методика, в которой используются твердые материалы в качестве исходного сырья, которые расплавляются до идеальной вязкости для машины.
На данный момент оборудование данного класса может работать с фотополимерными смолами, различными видами пластиковой нити, керамическим порошком и металлоглиной.
Время работы варьируется от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от сложности дизайна и используемого метода печати. Теперь эта технология поступает в строительную отрасль посредством исследований, проведенных Бехрохом Хошневисом, профессором Института информационных наук в инженерной школе Витерби Университета Южной Калифорнии, США. Эта машина соответствует гигантскому прототипу или крану, управляемому через компьютер.
С его помощью можно строить здания без необходимости прибегать к человеческой силе. Рисунок 3 - Принтер, используемый для создания контуров. Однако Хошневис решил расширить свои исследования и распространить эту технологию на гражданское строительство. Его первоначальная идея заключалась в том, чтобы использовать технологию контурной конструкции для процесса строительства.
В основу принципа работы 3d принтера заложен принцип постепенного (послойного) создания твердой модели, которая как бы «выращивается» из определённого материала, о котором будет сказано немного позже. Преимущества 3D печати перед привычными, ручными способами построения моделей - высокая скорость, простота и относительно небольшая стоимость.
Что-то, что было бы особенно полезно для регионов, пораженных каким-то стихийным бедствием, где жилье нужно было бы быстро. Что касается материалов, то сначала использовался цемент, но теперь можно добавлять, например, другие компоненты, такие как сталь. Большим преимуществом использования этой технологии является возможность добавления элементов в начале строительства. Сантехника, линии электропередачи и связь легко добавляются при строительстве стен.
Кроме того, этот метод значительно сокращает производство мусора, делая работу более экономичной и устойчивой. Для реализации этой работы понадобился большой принтер, который отвечал за построение контуров здания и деталей для их сборки. Другим интересным фактором является использование нетрадиционных материалов, среди которых выделяется смесь почвенных и промышленных строительных отходов, таких как стекло, которое добавляется в быстросохнущую цементную основу. Даже в начальном состоянии многие компании и организации уже осознали потенциал этой технологии и вносили инвестиции.
Например, для создания или какой-либо детали вручную может понадобиться довольно много времени - от нескольких дней до месяцев. Ведь сюда входит не только сам процесс изготовления, но и предварительные работы - чертежи и схемы будущего изделия, которые всё равно не дают полного видения окончательного результата.
В итоге значительно возрастают расходы на разработку, увеличивается срок от разработки изделия до его серийного производства.
Это подчеркивает важность этих исследований и изменений, которые могут произойти в сценарии гражданского строительства в ближайшие годы. Трехмерная печать - это изготовление, чья область применения по-прежнему недооценивается многими. Благодаря многообразию своих процессов и материалов, производство присадок позволяет производить очень широкий ассортимент продукции.
Чтобы заполнить пробелы, но и развеять фантазии, мы увидим здесь различные сферы деятельности, охватываемые этой технологией. Хотя трехмерная печать была опубликована только в течение нескольких лет, этот процесс не является современным. Прототип на самом деле является первой копией продукта, тестовой версией, которая проверяет ее конструкцию и выполнимость перед массовым производством. Поэтому благодаря своей функции он не только производится в очень небольшом количестве, но также часто должен изменять характеристики.
3D технологии же позволяют полностью исключить ручной труд и необходимость делать чертежи и расчёты на бумаге - ведь программа позволяет увидеть модель во всех ракурсах уже на экране, и устранить выявленные недостатки не в процессе создания, как это бывает при ручном изготовлении, а непосредственно при разработке и создать модель за несколько часов.
В результате производство прототипа не подходит для массового производства, которое является слишком дорогостоящим для таких небольших количеств. Трехмерная печать имеет то преимущество, что она очень экономична благодаря сокращению процесса проектирования. В отличие от традиционных методов производства, нет инструментов или сборок, что делает создание быстрее, устраняя труд и много посредников. Эта способность сократить время и стоимость производства, привлекает все больше и больше промышленников, которые теперь интегрируют эту технологию в свой процесс проектирования.
При этом возможность ошибок, присущих ручной работе, практически исключается.
Существуют различные технологии трёхмерной печати. Разница между ними заключается в способе наложения слоёв изделия. Рассмотрим основные из них.
Изготовление моделей - одно из первых применений трехмерной печати. Наиболее часто используется для архитектурных или художественных проектов, модель представляет собой миниатюрное, конкретное и тактильное представление, которое позволяет визуализировать в трех измерениях, судить и проверять осуществимость проекта. Трехмерная печать имеет много преимуществ с точки зрения традиционных технологий изготовления.
Экономия времени: всего несколько часов с трехмерной печатью часто против нескольких дней реализации макетов пены или дерева. Более экономично: трехмерная печать намного экономичнее на малых и средних тиражах, чем традиционная технология формовки, обработки или сборки.
Наиболее распространенными являются SLS (селективное лазерное сплетение), НРМ (наложение слоев расплавленных материалов) и SLA (стереолитиография).
Наиболее широкое распространение благодаря высокой скорости построения объектов получила технология стереолитографии или SLA.
Технология работает так: лазерный луч направляется на фотополимер, после чего материал затвердевает.
Лучшая точность: более точная, трехмерная печать позволяет транскрибировать дизайн до ближайшего микрон и позволяет создавать более сложные формы. Он участвует в стадии проектирования деталей инструмента для повышения эффективности промышленного процесса производства. В этой области он может снизить издержки производства за счет ускорения процесса изготовления пресс-форм, мастеров моделей или непосредственно производственных инструментов. Действительно, инструменты, как правило, изготавливаются в небольших сериях, которые могут оказаться очень сложными.
В качестве фотополимера используется полупрозрачный материал, который деформируется под действием атмосферной влаги.
После отвердевания он легко поддаётся склеиванию, механической обработке и окрашиванию. Рабочий стол (элеватор) находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.
Спекание порошковых реагентов под действием лазерного луча – оно же SLS - единственная технология 3D печати, которая применяется при изготовлении форм, как для металлического, так и пластмассового литья.
Пластмассовые модели обладают отличными механическими качествами, благодаря которым они могут использоваться для изготовления полнофункциональных изделий. В SLS технологии используются материалы, близкие по свойствам к маркам конечного продукта: керамика, порошковый пластик, металл.
Устройство 3d принтера выглядит следующим образом: порошковые вещества наносятся на поверхность элеватора и спекаются под действием лазерного луча в твёрдый слой, соответствующий параметрам модели и определяющий её форму.
Технология DLP – новичок на рынке трехмерной печати. Стереолитографические печатные аппараты сегодня позиционируются, как основная альтернатива FDM оборудованию. Принтеры данного типа используют технологию цифровой обработки светом. Многие задаются вопросом, чем печатает 3d принтер данного образца?
Вместо пластиковой нити и нагревающей головки для создания трехмерных фигур используются фотополимерные смолы и DLP-проектор.
Ниже вы можете увидеть, как работает 3d принтер видео:
Впервые услышав про DLP 3d принтер, что это такое – вполне резонный вопрос. Несмотря на замысловатое название, устройство почти не отличается от других настольных печатных аппаратов. К слову, его разработчики, в лице компании
QSQM Technology Corporation, уже запустили в серию первые образцы высокотехнологичного оборудования. Выглядит оно следующим образом:
Стоит отметить, технологии SLS/DMLS – далеко не единственные в области . В настоящее время для создания металлических трехмерных объектов широко используется электронно-лучевая плавка. Лабораторные исследования показали, что использование металлической проволоки для послойного наплавления при изготовлении высокоточных деталей малоэффективно, поэтому инженеры разработали специальный материал – металлоглину.
Металлическая глина, использующаяся в качестве чернил во время электронно-лучевой плавки изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и определенного количества воды. Для того чтобы превратить чернило в твердый объект, его нужно нагреть до температуры, при которой клей и вода выгорят, а стружка сплавится между собой в монолит.
Примечательно, что данный принцип также используется при работе с SLS принтерами. Но в отличие от них, EBM-аппараты генерируют для плавки металлоглины направленные электронные импульсы вместо лазерного луча. Нужно сказать, что данный метод обеспечивает высокое качество печати и отличную прорисовку мелких деталей.
На сегодняшний день продаются только промышленные принтеры, использующие EBM технологию. Вот как выглядит один из них:
На видео, представленном ниже, наглядно продемонстрированы возможности 3d принтера, приспособленного для электронно-лучевой плавки:
Даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, использующая термопластики производственного класса, обеспечивающие не имеющую аналогов механическую, термическую и химическую прочность деталей.
Печать по технологии НРМ выгодно отличается чистотой, простотой использования и пригодностью для применения в офисе. Детали из термопластика устойчивы к высоким температурам, механическим нагрузкам, различным химическим реагентам, влажной или сухой среде.
Растворимые вспомогательные материалы позволяют создавать сложные многоуровневые формы, полости и отверстия, которые было бы проблематично получить обычными методами. 3D-принтеры, действующие по технологии НРМ, создают детали слой за слоем, разогревая материал до полужидкого состояния и выдавливая его в соответствии созданными на компьютере путями.
Для печати по технологии НРМ используется два различных материала - из одного (основного) будет состоять готовая деталь, и вспомогательного, который используется для поддержки. Нити обоих материалов подаются из отсеков 3D-принтера в печатающую головку, которая передвигается зависимости от изменения координат X и Y, и наплавляет материал, создавая текущий слой, пока основание не переместится вниз и не начнется следующий слой.
Когда 3D-принтер завершит создание детали, остаётся отделить вспомогательный материал механически, или растворить его моющим средством, после чего изделие готово к использованию.
Интересно, что в наши дни популярностью пользуются не только автоматические настольные HPM принтеры, но и приспособления для ручной печати. Причем, правильно было бы назвать их не печатными устройствами, а ручками для рисования трехмерных объектов.
Ручки сделаны по той же схеме, что и принтеры, использующие технологию послойного наплавления. Пластиковая нить подается в ручку, где плавится до нужной консистенции и тут же выдавливается через миниатюрное сопло! При должной сноровке получаются вот такие оригинальные декоративные фигурки:
Ну и конечно, так же, как и технологии, отличаются друг от друга и сами принтеры. Если у вас принтер, работающий по SLA, то технологию SLS на нём применить будет невозможно, т. е. каждый принтер создан только под определённую технологию печати.
Данная технология единственная в своем роде, которая позволяет получать объекты во всем доступном диапазоне оттенков. Примечательно, что окрашивание изделий происходит непосредственно во время их изготовления. С ее помощью получаются фотореалистичные объекты. Это и вызывает неподдельный интерес к ней со стороны дизайнеров.
Зачастую в качестве исходного материала применяют порошок, созданный на основе гипса. Щетки и ролики формируют не очень толстый слой расходника. Дальше с помощью подвижной головки на необходимые участки наносятся микрокапли клееобразного вещества (перед этим его окрашивают в нужный цвет). Оно напоминает по своему составу цианокрилат. Послойно создается готовый разноцветный объект. Финальная обработка изделия цианоакрилатом обеспечивает ему блеск и жесткость.
Современный рынок предлагает различные многоцветные 3D-принтеры. С их помощью создаются разноцветные объекты в домашних условиях. Большинство агрегатов предназначено для профессионального использования.
Профессиональная цветная печать на 3D-принтере осуществляется с помощью:
1. Линейки Zрrintеr от известной торговой марки 3D Sуstems. Эти устройства могут создавать габаритные разноцветные объекты. Снабжаются 5-ю картриджами и системой автоматической загрузки порошка. Техника практически на 100% автоматизирована, поэтому настройка или контроль процесса печати не обязателен. Весят модели около 340 килограмм. Стоимость в пределах 90-130 тысяч долларов.
2. Полноцветный 3D-принтер Мсor Iris. Разноцветные изделия создаются путем склеивания отдельных бумажных клочков. Данный агрегат от Мсоr Тесhnologies Ltd создает объемные фотореалистичные модели с неплохими показателями прочности. Может генерировать до миллиона цветов. Стоит 15 тысяч долларов.
Настольные модели для домашнего использования:
1. Цветной 3D-принтер 3D Тоuch. Данный агрегат работает по технологии FDМ. Модель может снабжаться одной, двумя или даже тремя экструзионными головками. Работает с АВS или РLА-пластиком. Весит ни много ни мало 38 килограмм. Стоимость – около 4 тысяч долларов.
2. 3D-принтер трехцветный ВFB 3000 РАNTHER – первый цветной принтер, который был выпущен на рынок. Сегодня его стоимость составляет около 2,5 тысяч долларов. В качестве рабочего материала применяется стандартная пластиковая нить. Для работы понадобится нить трех цветов.
3. Одна из самых дешевых моделей – РroDеsk3D. Для создания изделий используется система из пяти картриджей. Возможна работа с РLA или АВS-пластиком. Принтер снабжен системой автоматической настройки. Стоит всего 2 тысячи долларов. К сожалению, не может похвастаться высокими показателями разрешения печати.
3D печать открыла большие возможности для экспериментов в таких сферах как архитектура, строительство, медицина, образование, моделирование одежды, мелкосерийное производство, ювелирное дело, и даже в пищевой промышленности.
В архитектуре, например, 3D печать позволяет создавать объёмные макеты зданий, или даже целых микрорайонов со всей инфраструктурой - скверами, парками, дорогами и уличным освещением.
Благодаря используемому при этом дешёвому гипсовому композиту обеспечивается низкая себестоимость готовых моделей. А более 390 тысяч оттенков CMYK позволяют в цвете воплотить любую, даже самую смелую фантазию архитектора.
В строительстве есть все основания предполагать, что в недалёком будущем намного ускорится и упростится процесс возведения зданий. Калифорнийскими инженерами создана система 3D печати для крупногабаритных объектов. Она работает по принципу строительного крана, возводящего стены из слоёв бетона.
Такой принтер может возвести двухэтажный дом всего в течение 20 часов.
После чего рабочим останется лишь провести отделочные работы. 3D House Постепенно завоёвывают прочные позиции 3D принтеры и в мелкосерийном производстве.
В основном эти технологии используются для производства эксклюзивных изделий, таких как предметы искусства, фигурки персонажей для ролевых игр, прототипов моделей будущих товаров или каких-либо конструктивных деталей.
В медицине благодаря технологиям трёхмерной печати врачи получили возможность воссоздавать копии человеческого скелета, что позволяет более точно отработать приёмы, повышающих гарантии успешного проведения операций.
Всё большее применение находят 3D принтеры в области протезирования в стоматологии, так как эти технологии позволяют намного быстрее получить протезы, чем при традиционном изготовлении.
Не так давно немецкими учёными была разработана технология получения человеческой кожи. При её изготовлении используется гель, полученный из клеток донора. А в 2011 году учёным удалось воспроизвести живую человеческую почку.
Как видим, возможности, которые открывает 3D печать практически во всех сферах деятельности человека поистине безграничны.
Принтеры, создающие кулинарные шедевры, воспроизводящие протезы и органы человека, игрушки и наглядные пособия, одежду и обувь - уже не плод воображения писателей - фантастов, а реалии современной жизни.
А какие ещё горизонты откроются перед человечеством в ближайшие годы, наверное, это может быть ограничено только фантазией самого человека.
В век микро- и нанотехнологий мало кого удивишь очередным устройством, обладающим способностями на грани магических. И, тем не менее, даже в наше время совершаются прорывы в научных технологиях, способные не просто поразить воображение, но и перевернуть представление о возможном.
Сегодня мы расскажем о технологии, еще в недалеком прошлом казавшейся невероятной — возможности воссоздавать сложнейшие объемные объекты из практически любых материалов. «Полевые синтезаторы» и «репликаторы» мира научной фантастики постепенно перекочевали в нашу с вами реальность, и развиваются весьма быстрыми темпами, осваивая уже не только научные лаборатории, но и домашний интерьер. 3D-печать и 3D-принтеры — наиболее активно обсуждаемая в новостях тема ушедшего 2012 года. И интерес к этому изобретению в массах лишь возрастает, поскольку возможности 3D-печати день ото дня лишь совершенствуются.
Главный секрет 3D принтера
Говоря простым языком, 3D-принтер — это специализированный высокоточный станок с ЧПУ (числовым программным управлением). И как утверждают инженеры, в самом изготовлении предметов с помощью станочного оборудования нет ничего необычного, автоматические технологии изготовления предметов давно и успешно используются в массовом производстве примерно с середины прошлого столетия. Фантастический же ореол вокруг 3D-печати возник, по всей видимости, потому, что применяемые для нее устройства в процессе изготовления предмета, не стачивают по старинке «лишние» части заготовок, а воссоздают необходимый предмет «с нуля». В основе работы 3D-принтера лежит технология аддитивной печати, позволяющая получать нужные объекты методом наращивания слоев рабочего материала. Современный 3D-принтер — результат эволюции устройства под названием стереолитограф, разработанного Чарльзом Халлом в 1984-м году.
Пока 3D-принтеры не используются в серийном производстве деталей и предметов, поскольку безнадежно проигрывают любому из станков с ЧПУ в ситуации, когда важнее не уникальность, а скорость изготовления и низкая цена конечного продукта. Ведь традиционные методы производства разрабатывались, совершенствовались и развивались в условиях необходимости получения дешевой «поточной» продукции.
Как работает 3D принтер
Устройство 3D-принтера аналогично устройству любого обычного принтера, печатающего изображения и тексты: у него также имеются печатающая головка и картридж с рабочим материалом, заменяющим чернила струйной и тонер лазерной печати. Некоторые из 3D-принтеров формируют объекты из особого порошка на основе крахмала или гипса, другие используют расплавленный пластик или светоотверждаемый жидкий фотополимер в качестве рабочего материала. Есть и такие, которые «спекают» с помощью электронного или лазерного луча в готовое изделие керамический или металлический порошок.
Независимо от используемой рабочей технологии общий принцип работы 3D-принтеров один. Объект воссоздается в специально отведенном для него пространстве (камере принтера) по существующей компьютерной 3D-модели послойно — с помощью «печатающей» головки, движением которой управляет программа. Из тонких (в десятые и сотые доли микрона) слоев рабочего материала. Закончив построение очередного слоя, головка перемещается на следующий до тех пор, пока объект не приобретет законченную форму.
Возможности 3D печати
3D принтеры могут воссоздавать сложнейшие объекты различной формы, размеров и цвета, используя весьма широкий спектр порошковых материалов — более 100 наименований, и это, разумеется, не предел. Крахмал, гипс, песок, воск, стекло, керамика, полистирол и другие полимеры, резина, нейлон, нержавеющая сталь, цветные (титан, алюминий, кобальт, хром) и благородные (серебро, золото) металлы и их сплавы — с каждым днем возможности 3D-печати только расширяются. Уже сегодня ученые медики экспериментируют с различными биополимерами, способными вывести мировую медицину на новый, поистине невообразимый, уровень.
Технология 3D-печати в настоящее время используется для изготовления уникальных ювелирных изделий, моделирования обуви, в промышленном дизайне, архитектуре и строительстве, в таких областях, как автомобильная, аэрокосмическая и медицинская промышленности, в сфере образования, информационных систем, гражданского строительства и многих других. Сферы применения 3D-печати продолжают расширяться, находится множество неожиданных и оригинальных решений. Одним из возможных направлений развития 3D-технологии может стать ее бытовое использование — например, для быстрого создания некоторых предметов и деталей домашнего быта.
Примеры успешного применения технологии
Платформа 3D-печати более 20 лет находилась в стадии опытного образца, однако стоимость оборудования в последние два-три года уменьшилась в десятки раз, а затраты на создание оригинальных ювелирных изделий резко упали. В ювелирном деле 3D-технологии позволяют создавать украшения гораздо быстрее, чем при использовании традиционных методов производства. А вносить поправки на стадии проектирования — и того проще, теперь для этого достаточно нескольких щелчков мыши.
Сегодня 3D-принтеры находят достойное применение и в науке. Мы многого не знаем о том, как двигались давно вымершие животные, например, динозавры. Как ни странно это звучит, но за последние полтора века в палеонтологии не произошло сколь либо значительных изменений. Применение 3D-печати в этой области знаний уже позволяет не только воссоздавать точнейшие и полноразмерные копии когда-то населявших Землю существ для музейных выставок, но и успешно тестировать механику движений всех этих вымерших видов.
3D-печать пришла и в мир моды, последний пример такого сотрудничества — Voltage collection, которая в конце января 2013 года демонстрировалась на Парижской Неделе моды. Для этой коллекции дизайнером Ирис Ван Херпен (Van Herpen, Koerner and Materialise) было создано несколько платьев потрясающей сложности из нового экспериментального материала. Точность создания кружевной бесшовной структуры невозможно было реализовать иначе, как посредством 3D-печати. Расширение возможностей работы 3D-принтеров с такими пластичными материалами, как полиуретан и резина, позволяют экспериментировать и с другими современными материалами, что неизбежно отражается на тенденциях моды.
Напечатанный на 3D-принтере образец огнестрельного оружия, армейская винтовка AR-15, было успешно протестировано на работоспособность. Создавший и испытавший действующий образец винтовки, разработчик тут же поделился файлами цифровых 3D-деталей оружия с мировым сообществом, выложив их в открытом доступе на одном из сайтов. Этот акт «пацифизма» и то, что подобное оружие невозможно обнаружить металлодетектором, спровоцировал правительство многих стран закрепить запрет на воспроизводство огнестрельного оружия на 3D-принтерах законодательно.
Японцы также нашли весьма оригинальное применение 3D-технологиям, открыв первый в мире 3D-фотостенд. Пройдя быстрое и необременительное 3D-сканирование на стенде, посетитель получает возможность заказать 3D-печать собственной уменьшенной копии или же собственного бюста — чем не оригинальный подарок себе любимому. Взяла на вооружение 3D-технологии и XXX-индустрия, наладив выпуск заказных персонализированных кукол и прочих игрушек из силикона.
Приятным сюрпризом стал представленный в 2012 году фирмой Essential Dynamics 3D-принтер, способный воссоздавать объекты любой сложности из необычных материалов — шоколада и других пищевых ингредиентов. В самом ближайшем будущем предполагается массовый спрос не только на различные съедобные предметы, но и на подобные принтеры.
Потенциал и перспективы использования 3D печати
Современные 3D-принтеры уже не отстают по своим полиграфическим возможностям от принтеров обычных. Так, применение систем из пяти печатающих головок с материалами стандартных цветов позволяет получать полноцветные 3D-объекты с разрешением до 600 dpi (точек на дюйм).
Огромный потенциал 3D-печати замечательно иллюстрирует изготовленный по этой технологии музыкальный инструмент. Первая скрипка, распечатанная на 3D-принтере, была опробована в прямом эфире CNN пятнадцатилетней студенткой, с успехом сыгравшей на ней. Это необычное выступление доказало многим сомневающимся, что с помощью современных технологий 3D-печати можно воссоздать практически любой известный предмет — причем, с сохранением присущих ему свойств и характеристик.
Изобретатель Kai Parthy создал волокно для популярного 3D-принтера RepRap, позволяющее применять технологию для печати древесины. Волокно под кодовым названием LAYWOO-D3 является композитом древесины и специального полимера. Переработанные отходы деревообрабатывающей промышленности и недорогой безвредный пластик стали источником для поистине революционного материала, способного значительно сократить в будущем вырубку лесов — при условии, что технология получит широкое распространение.
Не прекращаются попытки создать 3D-принтеры, способные воспроизводить структурные элементы зданий из бетона и пеноматериалов. Проводятся исследования возможностей быстрой (до 20-ти часов) «печати» жилых сооружений со встроенными сантехническими и электрическими коммуникациями за один непрерывный цикл с использованием больших 3D-принтеров. Рабочие образцы строительных 3D-принтеров уже печатают до 3-х метров сооружений из строительного материала в час, и это не предел. Технологию 3D-печати зданий планируется использовать для автоматизированного возведения мест обитания человека вне Земли. Первые такие внеземные сооружения планируется построить на Луне уже в 2013-2014 годах, причем для «печати» лунных сооружений планируется использовать лишь 10% доставленного с Земли материала, 90% материала составит лунный грунт.
Американское космическое агентство NASA профинансировало грантом в размере 125000 долларов инженера Анджана Контрактора (Anjan Contractor), выделив эти деньги на создание 3D-принтера, который будет способен «печатать» еду для астронавтов в условиях космоса. Смешивая пищевые ингредиенты из картриджей, устройство сможет обеспечить разнообразие рациона космических путешественников во время длительных экспедиций. Первым блюдом, напечатанным на 3D-принтере, станет пицца — благодаря легкодоступным ингредиентам и простой структуре. Программное обеспечение этого принтера будет изначально с открытым исходным кодом, что позволит совершенствовать энтузиастам устройство и создаст возможность обмена рецептами (распечатками) блюд.
Применение «двуфотонной литографии» позволило ученым технологического университета Виенны (The Vienna University of Technology) совершить серьезный прорыв в невероятной детализации трехмерных объектов, печатаемых с нано-точностью. Чуть позже, в 2012 году, группа ученых из университета Глазго в Великобритании на практике доказала возможность использования технологий 3D-печати для создания химических соединений, что приоткрывает нам дверь в мир, в котором можно будет создавать вещи молекула за молекулой.
Исследователями из Вашингтонского государственного университета найден способ «печатать» кости человеческого организма при помощи 3D-принтера. В основе инновации — открытие вещества, по структуре и свойствам близкого к составу костной ткани. Это изобретение может быть использовано как для полного создания протезов костей, так и для поддержания сломанных участков в течение необходимого времени. Существует проект немецких ученых под названием BioRap, нацеленный на создание 3D-принтеров для распечатки различных человеческих органов и кровеносных сосудов. Считается, в ближайшие несколько лет эти технологии станут широко доступными для медработников, в корне решая проблему с дефицитом и отторжением донорских органов.
Организацией Thiel Foundation был анонсирован грант на создание инновационной технологии 3D-печати органических белковых соединений. Последние наработки в области создания живых клеток и тканей планируется объединить с наработками исследователей из Breakout Labs для получения съедобного прототипа мяса, способного стать в недалеком будущем весьма перспективным и к тому же гуманным источником животного белка для мясоедов всего мира.
3D печать — будущее сегодня
Серийные громоздкие 3D-принтеры, совсем недавно стоившие десятки тысяч долларов и обладавшие минимумом возможностей, быстро стали раритетом, их сменили более функциональные, компактные и несравнимо более дешевые модели стоимостью около 1000 долларов США.
На специализированных сайтах, таких как Thingiverse, уже сейчас можно найти в свободном для скачивания доступе десятки тысяч цифровых 3D-моделей различных объектов — порой, невероятных и удивительных. Но, несмотря на это, сфера «домашнего» применения 3D-печати пока ограничивается, в основном, воспроизводством незамысловатых безделушек и малопрактичных игрушек.
На данный момент уже существует огромное количество материалов, которыми способны печатать 3D-принтеры. Причем готовые изделия по физическим свойствам полностью соответствуют оригинальным материалам — керамике, резине, пластику, металлу, стеклу и т.д. Не за горами печать трехмерных объектов с переменными характеристиками материалов, например, с изменяющейся прозрачностью.
Появление 3D-технологий в массовом доступе окончательно ставит под удар копирайт, вызывая немало дискуссий о неизбежности пересмотра границ и ограничений авторского права. Не за горами тот день, когда в подтверждение шутке о недавнем закрытии крупнейшего российского торрент-трекера, можно будет скачать статую Церетели из интернета.
Бре Петтис (Bre Pettis), 40-летний отец-основатель компании MakerBot Industries, производящей самые популярные сегодня домашние 3D-принтеры, говорит о неизбежности дальнейшего совершенствования 3D-технологий, которые, надо заметить, все еще воспринимаются большинством населения как элемент научной фантастики. Возможно, этот процесс займет некоторое время, но ожидаемые результаты того стоят.
Одной из последних новостей из мира 3D-печати стало сообщение о появлении принтера, который способен напечатать сам себя. Печать не просто отдельных деталей, а полноценных устройств с электронной начинкой и всеми необходимыми комплектующими — следующий гигантский шаг в освоении 3D-технологий будущего.
А между тем не так давно первый 3D-принтер был собран детьми, учениками школы The School in Geldermalsen, работавшими над сложными проектами. Вот оно, удивительное будущее — сегодня, и уже очень близко к нам!
