3D-печать: что нужно знать
Это не принтер с ромашками на колесах вашего дедушки или точечная матрица вашей мамы. На самом деле они мало похожи на современные принтеры для документов или фотографий, которые могут печатать только в старых скучных двух измерениях. Как следует из названия, 3D-принтеры могут создавать трехмерные объекты из различных материалов. Они выходят на мейнстрим, появляются в таких розничных магазинах, как Staples, Best Buy и Home Depot, и вы можете купить множество 3D-принтеров и расходные материалы на Amazon.com и в других онлайн-магазинах. Хотя 3D-принтеры в основном встречаются в магазинах или в дизайнерских студиях, в школах и общественных центрах, а также в руках любителей, их все чаще можно найти на рабочих столах, в комнатах отдыха и на кухнях – и, возможно, в доме рядом с вами, если не в вашем собственном.
Что такое 3D печать?
По своей сути, 3D-печать – это производственный процесс, в котором материал укладывается слой за слоем для формирования трехмерного объекта. (Это считается аддитивным процессом, потому что объект строится с нуля, в отличие от вычитающих процессов, в которых материал режется, сверлится, фрезируется или обрабатывается.) Хотя в 3D-принтерах используются различные материалы (например, пластик или металл) и методы (см. «Как работает 3D-печать?» ниже), они совместно используют возможность превращать цифровые файлы, содержащие трехмерные данные, независимо от того, созданы ли они с помощью программы автоматизированного проектирования (CAD) или автоматизированного производства (CAM), или из 3D-сканера – в физические объекты.
Является ли 3D-печать вообще печатью?
Да, 3D-печать можно считать печатью, хотя и не так, как это было традиционно определено. Соответствующие определения Вебстера «печать» сосредоточены на производстве печатных материалов, публикаций или фотографий и производстве с помощью оттиска (приложения давления). Ни одно из определений не подходит для 3D-печати. Но с технологической точки зрения 3D-печать является результатом традиционной печати, в которой наносится слой материала (обычно чернил). Обычно он настолько тонкий, что не имеет заметной высоты (хотя с чернильными принтерами он несколько толще). То, что делает 3D-печать, значительно увеличивает эту высоту за счет нанесения нескольких слоев. Поэтому имеет смысл расширить определение печати, включив в него изготовление трехмерных объектов таким образом.
Как работает 3D-печать?
Как и традиционные принтеры, в 3D-принтерах используются самые разные технологии. Наиболее широко известным является моделирование методом наплавки (FDM), также известное как изготовление расплавленной нити (FFF). В ней нить, состоящая из акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS), полимолочной кислоты (PLA) или другого термопласта, расплавляется и осаждается через сопло с нагретой экструзией в виде слоев. Первые 3D-принтеры, появившиеся на рынке, сделанные в середине 1990-х годов Stratasys с помощью IBM, использовали FDM (термин, зарегистрированный под торговой маркой Stratasys), как и большинство 3D-принтеров, предназначенных для потребителей, любителей и школ.
Другой технологией, используемой в 3D-печати, является стереолитография. В нем УФ-лазер помещается в чан с фоточувствительным элементом, чувствительным к ультрафиолету, и отслеживает объект, который будет создан на его поверхности. Полимер затвердевает там, где луч касается его, и луч «печатает» объект слой за слоем в соответствии с инструкциями в файле CAD или CAM, с которым он работает.
В дополнение к этому также есть 3D-печать цифрового проектора света (DLP). Этот метод подвергает жидкий полимер воздействию света от проектора цифровой обработки света. Это затвердевает полимерный слой за слоем, пока объект не будет построен, и оставшийся жидкий полимер слит.
Многоструйное моделирование – это струйная система 3D-печати, которая распыляет цветное клейкое связующее на последовательные слои порошка, где должен формироваться объект. Это один из самых быстрых методов, один из немногих, который поддерживает многоцветную печать.
Можно модифицировать стандартный струйный принтер для печати с использованием материалов, отличных от чернил. Предприимчивые самоделки создали или модифицировали печатающие головки, обычно пьезоэлектрические, для работы с различными материалами – в некоторых случаях сами печатающие головки печатают на других 3D-принтерах! Такие компании, как MicroFab Technologies, продают печатающие головки с поддержкой 3D (а также комплектные системы печати).
Селективное лазерное спекание (SLS) использует мощный лазер для плавления частиц пластика, металла, керамики или стекла. По окончании работы оставшийся материал перерабатывается. Электронно-лучевая плавка (EBM) использует – как вы уже догадались – электронный луч, чтобы расплавить металлический порошок слой за слоем. Титан часто используется с EBM для синтеза медицинских имплантатов, а также деталей самолетов.
В зависимости от технологии, 3D-принтеры могут использовать различные материалы, включая, помимо прочего, металлы (среди них нержавеющая сталь, припой, алюминий и титан); пластмассы и полимеры (включая композиты, которые объединяют пластмассы с металлами, деревом и другими материалами); керамика; штукатурка; стекло; и даже такие продукты, как сыр, глазурь и шоколад!
Кто изобрел 3D-печать?
Первый 3D-принтер, который использовал технику стереолитографии, был создан Чарльзом В. Халлом в середине 1980-х годов. Стереолитография традиционно была дорогостоящей коммерческой техникой, машины стоили от пяти до шести цифр, но в последние годы появилось настольное профессиональное стереолитографическое оборудование стоимостью несколько тысяч долларов, а также потребительские системы, которые начинаются значительно дешевле.
В 1986 году Халл основал 3D Systems, компанию, которая сегодня продает 3D-принтеры, использующие различные технологии. Они варьируются от наборов начального уровня до продвинутых коммерческих систем, а 3D Systems также предоставляет услуги по продаже запчастей, в основном для бизнес-пользователей.
Каковы преимущества 3D-печати?
С помощью 3D-печати дизайнеры имеют возможность быстро превращать концепции в 3D-модели или прототипы (так называемое «быстрое создание прототипов») и внедрять быстрые изменения в дизайне. Это позволяет производителям производить продукцию по запросу, а не в больших количествах, улучшая управление запасами и сокращая складские площади. Люди в отдаленных местах могут изготовить объекты, которые в противном случае были бы для них недоступны.
С практической точки зрения, 3D-печать может сэкономить деньги и материал по сравнению с методами вычитания, так как расходуется очень мало сырья. И это обещает изменить характер производства, позволяя потребителям загружать файлы для печати даже сложных трехмерных объектов, в том числе, например, электронных устройств, у себя дома.
Что могут сделать 3D-принтеры?
Дизайнеры используют 3D-принтеры для быстрого создания моделей продуктов и прототипов, но их все чаще используют и для создания конечных продуктов. Среди изделий, изготовленных с помощью 3D-принтеров, — обувные конструкции, мебель, восковые отливки для изготовления ювелирных изделий, инструменты, штативы, подарочные изделия, а также игрушки. В автомобильной и авиационной промышленности 3D-принтеры используются для изготовления деталей. Художники могут создавать скульптуры, а архитекторы могут создавать модели своих проектов. Археологи используют 3D-принтеры для реконструкции моделей хрупких артефактов, в том числе некоторых древностей, которые в последние годы были уничтожены ИГИЛ. Аналогично, палеонтологи и их ученики могут дублировать скелеты динозавров и другие окаменелости.
Врачи и медицинские работники могут использовать 3D-печать для изготовления протезов, слуховых аппаратов, искусственных зубов и костных трансплантатов, а также копировать модели органов, опухолей и других внутренних структур тела из компьютерных томографов при подготовке к операции. Хорошим примером является проект Daniel, который 3D-печатью изготавливает протезы рук и кистей для жертв насилия в Судане. Кроме того, разрабатываются 3D-принтеры, которые могут создавать слои клеток для создания искусственных органов (таких как почки и кровеносные сосуды), и уже находятся в стадии НИОКР. В криминалистике также есть место для 3D-печати, например, для репликации пули, находящейся внутри жертвы.
Печатная электроника – это набор методов печати, которые позволяют печатать электронные устройства или схемы на гибких материалах, таких как этикетки, ткани и картон, путем нанесения электронных или оптических чернил. Это обеспечивает очень дешевое изготовление низкоэффективных устройств. Печатная электроника начинает комбинироваться с 3D-печатью, позволяя печатать многослойные схемы или устройства. Естественным следствием этого мощного комбо является то, что когда-нибудь вы сможете распечатать гаджеты из 3D-планов, а не покупать их.
Приготовление пищи – еще один способ использования 3D-принтеров. Французский кулинарный институт использовал 3D-принтер с открытым исходным кодом Fab @ Home, разработанный в Корнельском университете, для приготовления художественных деликатесов, а MIT создал 3D-принтер для еды под названием «Рог изобилия». Небольшое количество ресторанов тестируют прототипы фуд-принтеров. Исследования НАСА по 3D-печати включали в себя печать пищевых продуктов, таких как пицца с 3D-печатью.
Несколько пищевых 3D-принтеров стали коммерчески доступными. Они, как правило, сосредотачиваются на определенных продуктах питания, таких как шоколад, блины или печенье.
Что такое услуги 3D-печати?
Вам не нужно иметь 3D-принтер, чтобы воспользоваться им. Многие службы 3D-печати, такие как Shapeways и Sculpteo, печатают подарки и другие мелкие предметы на заказ на своих собственных 3D-принтерах, а затем отправляют их заказчику. Клиенты могут либо отправлять свои собственные файлы 3D-объектов, либо выбирать элементы, большинство из которых были разработаны другими пользователями службы, из онлайн-каталога.
Но услуги 3D-печати больше не являются исключительно областью специалистов. Крупные компании, такие как UPS, ввели услуги 3D-печати, а некоторые традиционные типографии добавили в свой репертуар 3D-печать по требованию.
Где можно получить 3D-принтер?
Большинство производителей 3D-принтеров продают свою продукцию напрямую через Интернет. Сейчас многие интернет-магазины продают их, в том числе компании, работающие только в Интернете. Например, Amazon.com, и другие, которые также имеют обычные магазины. Некоторые из последних, такие как Walmart, Best Buy и Staples, предлагают их как в магазинах, так и в Интернете, но не забудьте проверить их наличие на своих веб-сайтах, поскольку не во всех торговых точках они есть. В крупных городах открылось несколько магазинов 3D-принтеров. Например, у iMakr есть магазины в Лондоне и Нью-Йорке.
Несколько интернет-магазинов специализируются на 3D-принтерах, такие как Dynamism, который продает ряд 3D-принтеров разных брендов, а также обеспечивает поддержку клиентов.
Какое программное обеспечение нужно для 3D-печати?
Почти все 3D-принтеры принимают файлы в так называемом формате STL (названном в честь стереолитографии). Эти типы файлов могут создаваться большинством любых программ САПР, от дорогих коммерческих пакетов, таких как AutoCAD, до бесплатных продуктов с открытым исходным кодом, таких как Google SketchUp и Blender. Для тех, кто не склонен создавать свои собственные 3D-файлы, базы данных 3D-объектов, такие как Thingiverse MakerBot, предлагают множество файлов 3D-объектов, которые можно загружать и распечатывать.
Большинство 3D-принтеров поставляются с программным пакетом, поставляемым на диске или доступным для загрузки, который включает в себя все необходимое для печати. Наборы обычно предоставляют программу для управления принтером и слайсером, который при подготовке к печати форматирует объектный файл в слои на основе выбранного разрешения и других факторов. Некоторые комплекты включают в себя программу для «исцеления» объектного файла путем исправления проблем. Они могут помешать плавной печати. Программы вышли из движения с открытым исходным кодом RepRap, из которого развивалась любительская трехмерная печать. С некоторыми принтерами вы можете выбирать отдельные компоненты для загрузки, а не использовать то, что предусмотрено в комплекте.
Какое будущее ждет 3D-печать?
Разнообразные 3D-принтеры для дома и малого бизнеса уже легкодоступны, но они все еще часто рассматриваются как экзотические и довольно дорогие устройства. Ожидайте, что это изменится в течение следующих нескольких лет, когда 3D-принтеры станут более распространенными в домах и их можно будет найти на рабочих местах, в студиях, в домашних офисах и даже на кухне. Возможно, вы не найдете их в каждом доме, но они станут незаменимыми для тех людей, у которых они есть. По большей части изделия, изготовленные на 3D-принтерах, имеют однородный интерьер. Но мы начнем видеть более сложные творения, сочетающие множество материалов и композитов, а также печатную электронику. На современных 3D-принтерах, если вы потеряете крышку батарейного отсека пульта вашего телевизора, возможно, можно будет распечатать сменную крышку. С завтрашнего дня, если вы потеряете пульт, возможно, вы сможете напечатать совершенно новый пульт.
Кроме того, 3D-печать укрепляется в космосе. НАСА экспериментирует с 3D-принтерами на борту Международной космической станции. В конце концов, 3D-принтеры могут быть использованы для создания мест обитания на Марсе и в других мирах. Чтобы спасти астронавтов Аполлона-13 от смерти от удушья угарным газом, НАСА должно было найти способ вставить квадратный колышек в круглое отверстие. Если бы на борту был 3D-принтер, они могли бы легко решить проблему, разработав и напечатав разъем.
Астронавты не могут заскочить в Home Depot, если им необходимо заменить клапан или виджет, но 3D-принтер может изготовить их по мере необходимости. Точно так же мы увидим 3D-принтеры в антарктических базах и других отдаленных земных точках. Там люди не могут ждать шесть месяцев до следующего пополнения запасных частей или инструментов.
Медицинское применение 3D-печати не ограничивается протезированием, слуховыми аппаратами и зубными коронками. (См. «Что могут делать 3D-принтеры?» Выше для предварительного просмотра того, что находится в разработке.) Запасные части не должны быть ограничены механическими.
В последние несколько лет мы наблюдаем взрыв в разнообразии и использовании 3D-принтеров. Это похоже на то, где персональные компьютеры были примерно в 1980 году. Хотя достаточно легко увидеть некоторые области, в которые разветвится область 3D-печати, другие находятся за пределами нашей способности предсказать. Точно так же, как никто в 1980 году не мог себе представить, во что превратится персональный компьютер. Вполне возможно, что 3D-печать не окажет такого же влияния, как ПК, на потребительский, повседневный уровень жизни. Но у нее есть потенциал революционизировать производство и, возможно, что более важно, передать его в руки повседневных потребителей. Но одно можно сказать наверняка: 3D-печать здесь навсегда.
