В 2011 году на конференции TED было продемонстрировано, как принтер, заполненный биогелем, создал человеческую почку на глазах у зрителей. Двумя годами ранее компания Adidas представила публике кроссовки, которые изготавливаются на 3D-принтере всего за 20 минут. Также недавно SpaceX, компания под управлением Илона Маска, успешно завершила тестирование двигателей для космического корабля, которые также были созданы с помощью 3D-печати.
В настоящее время технология 3D-печати является не просто новшеством, а вполне освоенной реальностью. Она находит применение в самых разнообразных областях, включая архитектуру, строительство, медицину, дизайн, а также в производстве одежды и обуви. Ввод запроса «3D-принтер» в поисковую систему выдаст сотни чертежей и прототипов, начиная от простых предметов, таких как мыльница и настольная лампа, до более сложных конструкций, например, автомобильного двигателя или даже жилого дома.
Сегодня каждый может приобрести себе принтер и напечатать, например, защитный чехол для смартфона, однако не каждый решится идти дальше и создавать сложные объекты по чертежам. В данной статье мы рассмотрим историю возникновения 3D-печати, её возможности и будущие перспективы в использовании этой технологии.
Истоки трехмерной печати
Прародитель трехмерного принтинга. В начале 1980-х доктор Хидео Кодама предложил концепцию быстрого создания прототипов с использованием фотополимера — жидкого акрилового вещества. Процесс печати, похожий на сегодняшний, выполнялся слой за слоем.
Зарождение 3D-печати.
Создание материальных объектов из цифровых моделей впервые продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, в эпоху простых компьютеров, за десять лет до появления Windows-95, он разработал технологию стереолитографии, которая стала основой для 3D-печати.
Технология работала следующим образом: под действием ультрафиолетового лазера материал затвердевал, превращаясь в пластиковый предмет. Объекты создавались на основе цифровых данных, что стало настоящим прорывом для разработчиков благодаря снижению затрат на прототипирование.
Инициатор производства 3D-принтеров.
Через два года после изобретения, Чарльз Халл запатентовал свою технологию и основал компанию 3D Systems, которая выпустила первое устройство для индустриальной 3D-печати, занимая лидирующие позиции на рынке до сих пор. Изначально такие устройства назывались аппаратами для стереолитографии.
Расцвет 3D-печати и новые разработки.
К концу 1980-х годов 3D Systems начала массовое производство стереолитографических принтеров. Тем временем, на рынке начали появляться другие технологии печати, такие как лазерное спекание и моделирование методом наплавления, где лазер обрабатывал порошок, а не жидкость. Эти технологии заложили основу для большинства современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в широкое использование, и на рынке появились первые домашние принтеры.
Революция в трехмерной печати.
С начала 2000-х годов рынок разделился на производство высокотехнологичных дорогих систем и более доступных домашних принтеров. 3D-печать начала использоваться в специализированных областях, в том числе для создания мочевого пузыря, который был успешно имплантирован пациенту.
Структура 3D-принтера
Принципиально устройство трехмерных принтеров схоже с традиционными принтерами, включая множество одинаковых компонентов. Однако ключевое различие заключается в способности 3D-принтеров работать в трех измерениях, добавляя к ширине и высоте также глубину.
Следующие элементы являются основными в составе 3D-принтера, помимо его корпуса:
- Экструдер, или печатающая головка — нагревает поверхность, точно дозирует и выдавливает материал, который подается в форме нитей и имеет полужидкое состояние;
- Рабочая площадка (или рабочий стол) — зона, где принтер строит детали и "выращивает" объекты;
- Линейные и шаговые двигатели — эти устройства двигают компоненты принтера, обеспечивая нужную точность и скорость печати;
- Фиксаторы — это датчики, которые контролируют координаты процесса печати и ограничивают перемещение деталей принтера, чтобы предотвратить выход за границы рабочей площадки и повысить точность печати;
- Рама — служит для соединения всех частей принтера в единую структуру.
Процесс создания трехмерных объектов
Производство трехмерных объектов осуществляется благодаря аддитивному методу 3D-печати, при котором материал укладывается слой за слоем, начиная снизу и двигаясь вверх, до тех пор пока не будет воссоздана форма, заданная в чертеже. Таким образом изготавливаются изделия из пластика.
Фотополимерная печать использует технологию стереолитографии (SLA), при которой под действием лазерного луча фотополимеры затвердевают. Помимо пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры также работают с металлоглиной и металлическим порошком. Процесс печати включает множество последовательных циклов: каждый новый слой материала накладывается поверх предыдущего, при этом печатающая головка продолжает движение, пока на рабочей площадке не появится завершенный объект. Принтер автоматически удаляет любые отходы с рабочего стола.
Функционирование 3D-чертежа
Процесс печати начинается с создания 3D-модели в специализированной компьютерной программе, после чего её сохраняют в формате STL. Затем файл передают в программу слайсинга, предназначенную для подготовки модели к печати, где можно задать такие параметры, как плотность материала. Программа переводит модель в команды для экструдера, создавая файл, который затем загружается в принтер для начала печати.
Создать 3D-чертеж можно даже дома — подробные инструкции доступны на различных платформах, например на сайте habr.
Программирование 3D-принтера: шаги настройки
- Выбор 3D-модели. Можно создать собственную модель в CAD-редакторе или выбрать готовую из множества доступных в интернете.
- Подготовка модели к печати. С помощью слайсера, который разбивает модель на отдельные слои, настраивается технологический процесс печати, включая контур движения печатающей головки, скорость и толщину слоев.
- Загрузка модели в принтер. Файл, созданный слайсером и содержащий все необходимые инструкции, сохраняется в формате G-code, после чего загружается в принтер.
- Мониторинг процесса печати.
Возможность использования напечатанных изделий
Это зависит от качества используемого материала, характеристик принтера и характера готового изделия. Например, бытовые 3D-принтеры иногда не совсем точно воспроизводят форму и цвет объекта. Пластиковые изделия часто требуют послепечатной обработки, поскольку могут иметь заусенцы, недостатки и обычно обладают ребристой текстурой. Существует несколько методов обработки поверхности, однако не все из них подходят для использования в домашних условиях:
- механическая обработка, включая ручную шлифовку и удаление заусенцев;
- химическая обработка, такая как окунание в ацетон, обработка пескоструем или применение специального раствора с помощью кисти.
Что возможно напечатать на 3D-принтере
В сети можно найти множество руководств по 3D-печати. На портале 3D-Today регулярно публикуются фотографии проектов пользователей, от небольших деталей до полноценных скульптур. На платформе «Хабр» еще три года назад был опубликован список из «50 впечатляющих объектов для 3D-печати». Сайт Make3D затрагивает более амбициозные проекты, включая печать автомобилей, оружия, солнечных панелей и протезов.
Существуют перспективные направления, где 3D-печать уже активно используется.
Создание индивидуальных моделей. Константин Иванов, основатель сервиса 3DPrintus, в интервью для «Афиши» отметил, что 3D-печать способствует расцвету индивидуально настраиваемых изделий: любой может спроектировать и распечатать необходимый объект онлайн. К примеру, можно создать модель робота или заказать печать обручальных колец по своему дизайну на промышленном уровне. Примеры таких проектов включают Thinker Thing и Jweel.
Быстрое создание прототипов. Это одно из наиболее популярных применений 3D-печати. На 3D-принтерах изготавливают опытные образцы протезов, прототипы медицинских корсетов, барельефы и спортивное снаряжение. Сложные геометрические формы. 3D-принтеры идеально подходят для создания моделей сложной конфигурации. Например:
- в университете Австралии исследовали возможности 3D-принтера, напечатав стул в форме отпечатка пальца;
- датский шеф-повар выиграл конкурс высокой кухни, создав на 3D-принтере миниатюрные блюда из морепродуктов и свекольного пюре сложных форм;
- в немецком научном институте разработали систему быстрой 3D-печати, которая за 18 минут производит сложные геометрические объекты высотой 30 см, в то время как обычно на печать маленьких фигурок уходит около часа.
Основные методы 3D-печати
Рассмотрим ключевые технологии 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA)
В принтерах, работающих по технологии стереолитографии, лазер взаимодействует с фотополимерами, создавая каждый слой изделия в соответствии с 3D-моделью. После воздействия лазера материал затвердевает. Прочность конечного продукта определяется типом используемого полимера, будь то термопластик, смолы или резина.
Стереолитография не поддерживает цветную печать и отличается медленной скоростью работы. К тому же устройства для этой технологии имеют значительные размеры и не позволяют использовать несколько видов материалов одновременно. Несмотря на высокую стоимость, стереолитография обеспечивает высокую точность печати, с толщиной слоя в 15 микрон, что значительно тоньше человеческого волоса. Благодаря этому, технология идеально подходит для создания стоматологических протезов и украшений.
Промышленные принтеры, работающие по этой технологии, способны печатать крупные объекты, которые используются в авиации, судостроении, оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS)
Этот метод, разработанный Карлом Декартом в конце 1980-х, включает спекание порошковых материалов слой за слоем. Мощный лазер нагревает мелкие частицы материала и перемещается в соответствии с контурами 3D-модели до завершения печати. Технология SLS преимущественно используется для создания отдельных деталей, которые после спекания отправляют на дополнительную обработку в печь для выгорания материала. Этот метод подходит для пластика, керамики, металла, полимеров и стекловолокна. SLS широко используется для изготовления прототипов и деталей сложной геометрии, но из-за размеров устройств не пригоден для домашнего использования.
Послойная заливка полимера (FDM)
Или фьюзионное моделирование послойного наплавления, изобретенное американцем Скоттом Крампом. В этом методе материал подается в экструдер в виде нити, нагревается и выдавливается на рабочий стол в виде микрокапель. Экструдер движется по рабочей поверхности, следуя 3D-модели, а материал охлаждается и застывает в готовое изделие.
Основные преимущества FDM — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Этот метод часто используется с различными видами термопластика и является самым доступным среди технологий 3D-печати, что делает его популярным для домашнего применения в производстве игрушек, сувениров и украшений. FDM также широко применяется в промышленном производстве для быстрой печати мелкосерийных партий и создания изделий из огнеупорных пластиков для космической отрасли.
Струйная 3D-печать
Этот метод был одним из первых в арсенале трехмерной печати, появившись в 1993 году благодаря студентам из США, которые модифицировали обычный принтер для бумаги. Не прошло и времени, как технологию подхватила известная компания 3D Systems.
Принцип работы струйной печати заключается в следующем: на тонкий слой материала принтер распыляет связующее вещество по установленным контурам модели. Печатная головка последовательно наносит материал, склеивая частицы слоев друг с другом. Этот процесс повторяется до завершения изготовления объекта. Струйная печать является разновидностью порошковой технологии; в прошлом для печати использовали гипс, теперь же применяют пластики, песчаные составы и металлические порошки. Для увеличения прочности изделий их зачастую пропитывают воском или подвергают обжигу.
Изделия, созданные с помощью струйной 3D-печати, характеризуются долговечностью, хотя и не обладают высокой прочностью. Поэтому такой метод печати часто используется для изготовления сувениров, украшений или прототипов. Струйные принтеры подходят для домашнего использования. Кроме того, струйная технология находит применение в биопечати, где слои живых клеток наносятся друг на друга для формирования органических тканей.
Применение 3D-печати
Основное использование 3D-печати приходится на профессиональные области.
Строительство
3D-принтеры используются для печати стен из специализированной цементной смеси и даже целых многоэтажных зданий. К примеру, Андрей Руденко в 2014 году смог напечатать на строительном принтере замок размером 3 × 5 метров. Эти принтеры способны возвести двухэтажное здание всего за 20 часов.
Медицина
3D-печать уже упоминалась в контексте создания органов, а также активно используется в протезировании и стоматологии. С помощью 3D-печати удалось успешно провести операцию по разделению сиамских близнецов, а кошке без лап установили протезы, напечатанные на 3D-принтере.
Космос
Технология трехмерной печати применяется для изготовления оборудования для ракет и космических станций. В космической биопечати технология используется для создания органических тканей. Например, компания 3D Bioprinting Solutions планирует отправить в космос живые бактерии и клетки для выращивания на 3D-принтере. Также Джефф Безос представил прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а компания Relativity Space разрабатывает фабрику по 3D-печати ракет.
Авиация
Для авиации также характерно использование 3D-печати: например, инженеры производят авиакомпоненты, такие как элементы обшивки фюзеляжа, примерно за пять часов с помощью 3D-принтеров.
Архитектура и промышленный дизайн
3D-принтеры активно используются для печати макетов зданий, микрорайонов и поселений, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины и освещение. В качестве материала обычно выбирают гипсовый композит.
После терактов с использованием грузовых автомобилей американский дизайнер Джо Дюсе предложил идею прочных функциональных бетонных заграждений, которые можно собрать как конструктор и напечатать на 3D-принтере. Прототипы были изготовлены компанией UrbaStyle на строительных 3D-принтерах.
Образование
3D-печать используется для создания наглядных пособий в детских садах, школах и вузах. В некоторых московских школах с 2016 года установлены 3D-принтеры: на уроках химии ученики работают с 3D-моделями молекул, на уроках физики изучают электрические цепи на 3D-моделях, а на уроках ИЗО даже печатают собственные ручки.
Кроме того, 3D-печать находит применение в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
Заключение
3D-печать продолжает трансформировать множество отраслей, от строительства и медицины до авиации и космоса. Эта технология открывает новые возможности для инноваций, позволяя создавать сложные и настроенные под конкретные нужды изделия. Благодаря 3D-печати мы можем не только оптимизировать производственные процессы, но и приносить значительные улучшения в качество жизни людей по всему миру.
Если вас интересуют последние новости, обзоры технологий , подписывайтесь на наш канал. Мы регулярно публикуем контент, который поможет вам оставаться на переднем крае инноваций и технологического прогресса. Не упустите возможность узнавать о самых последних достижениях в мире — подписывайтесь на нас прямо сейчас!
