Просматривая комменты к статье 3DPrint news «Бесполезность 3D-принтера в быту» натолкнулся на интересны коммент о том что 3Д печать опоздала на 20-30 лет. Возник вопрос. А почему собственно такой несложный аппарат как 3Д принтер по технологии FDM печати не был создан лет так не то что 20-30, а даже 50 назад? Давайте разберемся, из чего он устроен, и почему в принципе все было возможно даже в те времена. Наверное цена вопроса была бы несоизмерима с нынешней, но все таки.
Предупреждаю сразу. Фоток больше не будет. Потому как «забаненные в гугле» эту статью и так не прочитаю. А остальные смогут найти и фотки и дополнительную информацию. Чукча не верстальщик. :)
Итак. Из чего и как устроен 3Д принтер.
Начнем, пожалуй, с самого простого, что существует достаточно давно – это механика. Для создания 3Д принтера нам необходимо перемещать печатающую головку в двух направлениях, а саму деталь в третьем. То есть, к примеру, головка перемещается в право-лево и в верх-низ, а деталь вперед-назад. Или головка в право-лево и вперед-назад, а деталь верх-низ. Есть еще принтеры где перемещается только головка во всех 3-х направлениях. Это принципы работы традиционного «картезианского» принтера. (Есть еще Дельта принтеры, там механика сложнее и думаю что в те далекие годы его построение было бы проблематично.) Чтобы перемещать головку, нужны «передачи», к примеру, ременные или винтовые. Также нужны сами привода (электромоторы) которые будут через «привода» перемещать печатающую головку. Ну и направляющие, по которым она будет перемещаться. «Передачи» и направляющие известны очень давно (винтовую передачу придумал кажется Архимед) и 50 лет назад не представляли особой сложности в изготовлении. С электромоторами сложнее. Но тоже не проблема того времени. В 3Д принтерах используются «Шаговые электродвигатели» придуманные еще в позапрошлом веке. Принцип их работы такой, что за один импульс подачи питания, их вал поворачиваются на определенный угол. Получаем так. Подаем импульс на электромотор, вал, поворачиваясь на определенный угол, приводит в движение «передачу», которая по «направляющей» перемещает головку на определенное расстояние. Возможно применение и простых электродвигателей с одновременным использованием датчиков положения головки. Это сложнее и менее точно, но тоже возможно. Так что все, что касается механики, в 70-х годах прошлого века уже было и активно использовалось.
Второе что нужно в 3Д принтере – это сама печатающая головка. Не вдаваясь в тонкости, и не применяя специальных терминов и названий, это устройство, которое переводит пластик методом нагрева из твердого состояния в жидкое и выдавливает его определенную порцию для создания детали. Я не особо разбираюсь в истории создания пластиков. Был бы жив мой отец, он бы наверное рассказал. Он проработал на НПО «Пластмасс» долгие годы и как раз в те времена, а это предприятие одно из многих, которое в СССР занималось разработкой различных пластиков. Но, к примеру, я очень хорошо помню, как в моем детстве (а это 70-е годы), мы, найдя полиэтиленовый пакет (полиэтиленовый????) поджигали его, и он горел и капал горящими каплями. Если капать на что-то, и получившуюся горящую массу потушить, то это был кусок пластмассы. Да. Сверху обугленная, но все-таки пластмасса. А вот если бы не горело, а аккуратно плавилось, то и накапать можно было что-то путное. J Вот головка как раз и занимается нагревом пластика до определенной температуры и выдавливанием определенного его количества. А состоит из металлического (чаще алюминиевого) корпуса, немного механики, шаговый электромотор, нагревательный элемент, датчик температуры и калиброванное отверстие для выхода пластика. И чего из вышеперечисленного не было в 70-е? Вроде все было, даже полиэтиленовые (????) пакеты и даже в СССР. J
Теперь самая сложная и подвопросная часть. Это электроника. Которая должна управлять всеми этими электромоторами, нагревателями, и читать показания датчиков делая выводы. Хотя если честно, то и это в 70-х годах проблемы не составляло. По большому счету, любой 3Д принтер это ЧПУ фрезерный станок. Основные принципы те же, отличие лишь в том что фрезер убирает послойно материал с заготовки до получения готового изделия, а 3Д принтер наоборот наращивает материал также послойно. Первые ЧПУ фрезеры появились в США в начале 50-х годов. В СССР в конце 60, начале 70. Да, все было не так компактно и просто как теперь. Сам блок управления представлял собой здоровенный шкаф, а создание программ для него занимало немалое время. Да и хранение, и перенос программ на перфокартах имел некоторые сложности. Позже появились магнитные носители на лентах, а еще позже на дисках (прообраз современного HDD). Но все равно места это занимало немало. Но «невзирая на» и эта проблема была решаема, хоть и дорогостоящая (да, в те годы электроника стоила очень дорого, калькулятор был практически чудом J) и крупногабаритная. Но решаемая! Хотя для самого управления принтером, хватило бы за глаза какой-нибудь в меру компактной ЭВМ, созданной в 70 годах.
Вот, в общем, и все из чего состоит 3Д принтер. Ну еще конечно нужно упомянуть стол, на котором будет размещена (печататься) деталь. Это в большинстве своем алюминиевая пластина со встроенным нагревательным элементом (для 70-х годов ничего сложного в изготовление). Ну и сама рама или корпус принтера, который некоторые и по сей день делают из фанеры (этой технологии лет так с несколько тысяч) или из того же профилированного алюминия или железа с использованием (или без) пластиковых элементов.
Как видим ничего невозможного для технологий 70-х годов прошлого века, а то и конца 60-х.
В следствии вышеизложенного, возникает вопрос. Почему же технология FDM печати появилась только в конце 80-х? Патент был получен Скоттом Крампом (Scott Crump) только 1988, а первые промышленные 3Д принтеры появились только 1991 и стоили очень дорого. К этому моменту уже и электроника не была столь дорога и не занимала столько места. Плюс к этому она стала и достаточно производительна в плане вычислительных мощностей. Реально же эру бытовых 3Д принтеров открыл проект RepRap который был основан почти через 15 лет в 2005 году доктором Адрианом Боуером (Adrian Bowyer). И то на его развитие ушло больше 5-и лет до момента появления вполне работоспособных и дешевых моделей. Получается, что технология FDM печати могла быть осуществлена еще в 70х (если не в 60х), а появилась только в 90х и то, по-хорошему, развилась к 2010. 40 лет это срок! Неужели все так плохо? За это время те же ЭВМ превратились из устройств занимающих целиком этажи зданий в коробочки размером с…. в общем к примеру в мобильники.
Объяснений этому может быть несколько, и первое, как мне видится, это просто не было той идеи, которая стала бы основополагающей. А если нету идеи, значит никто не задумывался, а если так, значит это все было никому не нужно? Вспоминая те времена наверное так и было. В ту эпоху даже бамперы у машин были металлические. Корпуса, даже мелкой бытовой техники и электроники – тоже металл или дерево. Коробки РЭА металл. Ноутбуки первые и те из алюминия. Домашняя утварь опять металл, стекло, дерево. Изделия из пластика были, но их было мало. Вообще технология изготовления изделий из пластика была дешева только при одном условии – массовое производство. Их производили (и теперь производят) путем литья в пресс-формы. Изготовление пресс-форм было дорого и не окупалось в случаи производства одной-двух штук изделий. А для опытных (штучных) производств применяли металлы. Из этого может следовать второе объяснение. Производителям и предприятиям по обработке металла было невыгодно внедрение изделий из пластика, а они на тот момент имели очень большой вес в экономике. Они могли тормозить процессы по развитию технологий производства и обработке пластика. Но это так сказать глобально-промышленные масштабы. Хотя все бытовое как раз растет именно оттуда.
И вот теперь самое на мой взгляд интересное и фантастическое объяснение. Любому производителю НЕВЫГОДНО, если каждый сможет изготавливать запчасти (или даже целиком изделие) у себя дома. Причем если это будет изготовлено для себя, то вы даже никаких законов не нарушите. Вот простой пример. Сломалась у вас зарядка от ноутбука. Обычно это просто обрыв провода в штекере. Т.к. весь блок питания с кабелем и штекером есть вещь не разборная (там все либо склеено, либо отлито целиком), то красиво отремонтировать не получится. Варианты припаял и намотал «синей» изоленты выглядят, мягко говоря, некрасиво, да и не безопасны. Второй вариант это покупка нового штекера уже в разборном исполнении. Да. За низкую цену мы получим вполне красивую, надежную, и главное работоспособную вещь. Но, даже при условии что мы заплатим мало (а если очень мало то штекер рассыплется прямо в руках), мы все равно должны платить производителю штекеров. А самый безрукий и ленивый купит блок питания целиком или заплатит за ремонт немалые средства J. Все это деньги, которые мы тратим, кормя производителя или ремонтника, только потому, что производитель сделал деталь неремонтопригодной. Имея 3Д принтер, мы можем за полчаса смоделировать корпус штекера (сами контакты изготовлены из металла и ломаются редко), еще за полчаса его напечатать (причем можем сделать его угловым, прямым, да хоть каким) и отремонтировать штекер. Себестоимость будет порядка нескольких рублей (не десятков!). И все. Или все сталкивались с пластиковыми переходниками-шестеренками-предохранителями в кухонных комбайнах, мясорубках, блэндерах. Если этот элемент типовой и известного бренда, то его даже рисовать не придется. Можно просто качнуть модель с интернета и отправить на печать. Игрушки детям. Подарки типа «Handmade». Таких примеров может быть тысяча! У всех ломается что-то или хочется творить и делать самому. Производителю такой наш подход по запчастям и изделиям НЕВЫГОДЕН. Если мы начнем делать запчасти и изделия сами, и даже только для себя, то это уже не принесет им прибыли. Так что если искать виноватых в замедлении развития 3Д печати, то наверное это и окажутся производители всего и вся. Фантастика? Да? Кто его знает.
Вот такие мысли. Кто не согласен, или имеет собственное мнение на этот счет, пишите комменты. Я буду рад конструктивному обсуждению.