3D принтеры и их возможности
Если еще совсем недавно трехмерное моделирование считалось чем-то из мира фантастики, то сегодня практически любой желающий может приобрести специальное настольное устройство для печати объемных пластиковых изделий. Так что же такое 3D-принтеры, каковы их возможности, перспективы и сфера использования? Какова роль человека в создании точной копии компьютерной модели?
Отличительные особенности 3D-принтера
Трехмерным принтером называют специальное устройство, способное на основании виртуальной модели печатать объемные объекты. Если для печати в обычном принтере используют тонер, то во втором случае пользуются различными видами пластика, нейлоном, металлической пудрой, стеклянным порошком, строительными смесями и другими материалами. Основа данной технологии – послойное выращивание твердых моделей. Этот способ идеально подходит для создания предметов различной сложности: от обычных детских игрушек до всевозможных элементов, используемых, например, в протезировании.
Принцип работы данной техники:
Существует несколько технологий такой печати, отличающихся техникой работы, свойствами используемого исходного материала, используемым ПО:
Применение трехмерной печати в быту
Интересует, что можно печатать на 3D принтере? Да много чего: детские и елочные игрушки, сувенирную продукцию, чехлы для мобильных телефонов и планшетов, всевозможные механизмы для автомобилей, множество различных украшений. 3D принтеры стали незаменимыми в строительстве, медицине, пищевой промышленности, их услугами пользуются во многих дизайнерских студиях.
Хотя данное устройство не является предметом первой необходимости, многие все же мечтают иметь его дома. Сегодня эти желания легко воплощаются в реальность, ведь на рынке есть принтеры по вполне приемлемым ценам. Помимо того, сеть наполнена массой интересных «рецептов» изготовления изделий с помощью 3D-устройства.
Принтер поможет напечатать колпачок для обычной ручки, хозяйственные прищепки, мебельную фурнитуру, пластиковые украшения на елку, детские игрушки, интересные маски. Любой владелец мобильного телефона или планшета не откажется от идеи изготовить оригинальный защитный чехол, ведь сделать его с помощью принтера не составит особых трудностей. Если вы являетесь почитателем игры в шахматы, фигуры, выполненные при помощи технологии трехмерной печати, непременно придутся вам по душе.
3D-принтер и малый бизнес
Современный человек всегда стремится к чему-то новому и необычному. Появление трехмерной печати стало толчком для развития малого бизнеса. Изделия, изготовленные на 3D-принтере, позволят заработать довольно неплохие деньги. Цены на устройства разные: наиболее простые стоят около 500 – 1000, более продвинутые модели – свыше 10000 долларов. Самые современные модели обладают компактными размерами, позволяющими проводить установку на небольших столах. Каковы же возможности 3D-принтера, какие изделия можно вырастить с его помощью?
Популярные идеи для бизнеса:
Объемная печать – хорошая перспектива для начала своего дела. Хотя скорость современных принтеров пока небольшая, при увеличении потребности в изделиях, всегда можно расширить производство путем приобретения еще нескольких агрегатов. Сила 3D-принтера в создании недорогих, порой уникальных изделий, за изготовление которых не берется промышленность.
Медицина
Несомненно, 3D-принтеры являются огромным прорывом в данной отрасли. С каждым годом эта индустрия развивается, расширяя ассортимент производимых товаров. Возможно, вскоре появятся большие фабрики, которые смогут сравнительно за короткое время производить необходимые товары. Возможности этих трехмерных устройств безграничны. Они нашли применение во многих направлениях медицины.
Особой популярностью пользуются принтеры в стоматологии, где с их помощью изготовляют временные коронки и челюстные имплантаты, необходимые для нормальной жизни человека. Производство челюстных аппаратов важно для облегчения работы хирургов.
3D-печать очень востребована в протезировании. Эта технология способна учитывать индивидуальность строения человеческого тела во время изготовления протезов. Специальные микрополости, находящиеся в нужных местах протезных систем, позволяют здоровым клеткам тканей беспрепятственно перемещаться, тем самым облегчая и ускоряя привыкание человека к протезу.
Технология трехмерной печати широко используется при изготовлении имплантатов. Известно, что недавно успешно проведена операция, позволившая внедрить кусок черепа. Сначала было проведено 3D-сканирование, лишь затем приступили к созданию необходимой модели.
Современным ученым с помощью клеток печени (гепатоцитов, звездчатых и клеток эпителия) удалось напечатать на 3D-принтере фрагмент печени. Ткани, изготовленные таким образом, применяют пока лишь для тестирования влияния различных лекарств, а не для пересадки органов человеку. Искусственно созданная ткань самостоятельно существует целых пять дней.
Строительство
Ученые умы пытаются создать уникальное устройство, которое могло бы использовать самое разнообразное сырье. Например, применение керамики, стекла, оксида алюминия позволит «вырастить» самые необходимые элементы для дома. Использование 3D-печати облегчит возведение строений, снизит затраты труда, уменьшит количество отходов. Помимо того, эта умная машина сможет заменить человека в небезопасных местах.
Китайская компания «Winsun» в 2014 году удивила мир информацией о возведении домов при помощи огромного 3D-принтера (высота устройства – 6,6 м, ширина – 10 м, длина – 40 м). Эта уникальная машина работает круглосуточно без остановки и наблюдателей, построить дом можно практически за сутки.
Технология строительства заключается в послойном нанесении раствора, приготовленного из цемента и переработанного строительного мусора. Дом имеет пол, стены шириной около 30 см, полностью приспособлен к размещению сантехники, электропроводки и других коммуникаций. Какова окончательная стоимость строения пока доподлинно неизвестно, однако, уже сейчас понятно, что за этой революционной технологией будущее. Единственный недостаток – это стоимость перевозки готового дома, гаража или другой постройки, ведь строительный принтер немобилен и для нормальной работы требует заводских условий.
Архитектура
Трехмерное моделирование успешно используют в архитектуре, ведь этот способ позволит архитекторам наглядно донести свои идеи заказчикам. Такая модель будущего строения намного эффективнее обычной картинки или изображения на мониторе компьютера. Клиент получает полную информацию о будущем проекте, причем с учетом всех имеющихся тонкостей.
Ювелирная индустрия
В настоящее время существуют принтеры, которые работают с золотом, серебром, платиной, сталью и цветным нейлоном. Эти 3D-устройства предназначены для производства ювелирных украшений. Стоимость таких принтеров начинается с 300 тыс. рублей. Обладатели такой техники за короткое время создают огромное количество всевозможных изделий.
Увлечение 3D-технологией подобно лихорадке захватывает мир. С каждым годом появляется все больше новых моделей, расширяется область применения этой техники. Трехмерная печать стала активно использоваться во всех отраслях промышленности. Наверное, совсем скоро наличием в доме 3D-принтера никого не удивишь. Это устройство, как обычный холодильник или телевизор, станет доступным и необходимым.
Как выбрать 3D-принтер
и зачем он нужен?
Содержание
Что это такое?
Форм-фактор
Технология печати
Используемые материалы
Область печати
Высота слоя
Скорость печати
Количество сопел
Комплектация
Способ загрузки модели
Дополнительные фишки
Какой 3D-принтер купить?
Что это такое?
3D-принтер создаёт предметы из разных видов пластмасс. В него загружают катушку толстой лески, которая служит источником сырья. Устройству задают программу — трёхмерную модель готового изделия. Оно нагревает пластик, подавая его через сопло — насадку с узким отверстием. Расплавленный материал укладывается слоями. После этого на платформе остаётся готовая деталь заданной формы. Новички выбирают 3D-принтеры для создания коллекционных моделей, фигурок к настольным играм и декора. Профессионалы изготавливают детали для бытовой техники, автомобилей и мебели — от ручки холодильника и декоративной накладки на тумбочку до приборной панели машины и бампера. А в крупных мастерских трёхмерные принтеры используются для серийного производства продукции. Они работают на заводах HP, выпускающих электронику, и в мастерских металлургической корпорации Norsk Titanium. А принтеры Prusa и RepRap вовсе занимаются саморепликацией — производят детали для своих «клонов», которые отгружаются потребителям.
Форм-фактор
Настольный 3D-принтер подойдёт для дома или обучения в школе. По размерам он не больше кухонной мини-печи или прикроватной тумбочки. В таком устройстве можно изготовить коллекционную фигурку высотой до 25–35 сантиметров или декоративную пластину размером до 30×30 см.
Для бизнеса лучше выбрать 3D-принтер для установки на пол. Он напоминает шкаф по габаритам и весит до 100–200 кг. Такая модель подойдёт для производства накладки для мебели размером до 1×1 м, статуэток высотой до 80–150 см и похожих деталей.
В промышленности используются трёхмерные принтеры, сравнимые по размерам с комнатой или квартирой-студией. Такие агрегаты устанавливаются в помещении до 5×5 метров. В них изготавливают бамперы для автомобилей, трубопроводы сложной формы и отделочные материалы для строительства.
Технология печати
Для дома выбирают 3D-принтеры с технологией послойного наплавления. Их обозначают аббревиатурами FDM, FFF и PJP — это разные названия одного и того же процесса. Они накладывают слои горячего пластика друг на друга. Такие модели дешевле — от 10–15 тысяч рублей. Они проще в обслуживании и менее требовательны к качеству материала. Но при печати сложных деталей могут быть отклонения в размерах на 1–2 мм и заусенцы. Конечно, их можно убрать ножом и напильником, но это потребует больше сил и времени.
В серийном производстве мелких предметов используют технологию стереолитографии (SLA). В таких устройствах нет нагревателей — в качестве сырья подойдут особые виды пластика, которые затвердевают на свету. Принтер выдавливает жидкий материал через узкое сопло, одновременно направляя на заготовку мощный лазер. Эти модели более точные — погрешность не превышает 0,05–0,1 мм. Они лучше справляются со сложными изгибами и не оставляют заусенцев. Но стоимость SLA-принтеров выше — от 30–40 тысяч рублей. Также они чувствительны к качеству сырья и требуют точной настройки.
Выбор не рекомендованного материала или неподходящих настроек — серьёзная ошибка. В лучшем случае вы испортите готовый продукт. Исправить его получится только механическим путём — обрезкой или полировкой. Приклеить ещё один кусок пластика в 3D-принтере не получится. В худшем случае можно сломать дорогостоящий агрегат.
Используемые материалы
Очень важно, чтобы производитель допускал работу с определённым видом материала. Если его нет в списке, лучше не рисковать — пластик с иными характеристиками может повредить сопло и другие чувствительные детали устройства. Перед покупкой внимательно ознакомьтесь с инструкцией и техническими характеристиками.
Для хобби
Самый популярный вид пластика для трёхмерной печати — ABS (АБС). В жидком состоянии оно частично испаряется. Поэтому и подходит только для взрослых, которые работают в респираторе и защитных очках в помещении с хорошей вентиляцией. Застывший ABS-пластик твёрдый и прочный, выдерживает большие физические нагрузки и перепады температуры. Но он становится хрупким на морозе и выцветает под прямыми лучами солнца.
Для дома лучше выбрать 3Д-принтер, работающий с полилактидом (PLA). Этот органический пластик производят из кукурузных стеблей, сахарного тростника и другого растительного сырья. Он не содержит вредных веществ и безопасен для детей. При работе с ним расстроит только резкий запах, но можно обойтись без респираторов и очков. PLA-пластик приятен на ощупь и хорошо переносит трение — отлично работает в подвижных соединениях вроде шарниров в руках и ногах кукол. Но он хрупкий и недолговечный — подходит скорее для декора и игрушек.
Для серийного производства
В мастерских используют другие виды пластика. Поликарбонат прочный и жёсткий, устойчивый к ультрафиолетовому излучению и сильным перепадам влажности. Полиуретан мягкий и приятный на ощупь, долго сохраняет презентабельный внешний вид. Нейлон безопасен для организма человека — из него изготавливают даже корсеты, бандажи и другие медицинские приспособления.
Акрил легко принимает сложные волнообразные формы — подходит для производства декора. Чтобы работать с этими полимерами, нужно тщательно подбирать температуру нагрева, поддерживать стабильную температуру и влажность в помещении, а также соблюдать технику безопасности.
Для крупных масштабов
Промышленные трёхмерные принтеры работают с привычными материалами — керамикой, металлами и древесной стружкой. Они производят мебель, сантехнику, автомобильные запчасти и строительные конструкции намного быстрее человека.
Область печати
При выборе трёхмерного принтера всегда уточняйте полезные (а не номинальные) размеры камеры: высоту, ширину и глубину. Фактически это и есть максимальные габариты изготавливаемой вами детали. У домашних принтеров полезные размеры камеры не превышают 50×35×35 см — в неё помещается большой электрочайник. У профессиональных моделей габариты достигают 150×75×75 см — можно создавать статуэтки ростом с человека. У промышленных агрегатов размеры камеры измеряются метрами — обычно масштабы детали ограничены только прочностью используемого материала.
Высота слоя
Чем меньше эта цифра, тем больше сходство готового изделия с моделью. При печати с высотой слоя 200 микрон деталь получается ребристой. На ней много заусенцев, которые приходится удалять напильником, ножом или наждачной бумагой. 100 микрон достаточно для деталей бытовой техники, детских игрушек и других предметов, где не важна точность. Поверхность шершавая на ощупь, но внешне дефекты почти не видны. Разрешение 50 микрон и менее нужно для подвижных соединений, сложного декора и глянцевых изделий. Материал получается гладким и требует лишь минимальной полировки.
Скорость печати
Количество полимерной нити, которую сопло может расплавить за секунду. В любой модели оно зависит от выбранного разрешения, используемого материала, характера детали и других параметров. Поэтому при выборе 3Д-принтера важно смотреть на максимальную скорость. Чтобы сделать сравнение наглядным, мы укажем время печати одной коллекционной фигурки высотой 15 см:
Количество сопел
Число сопел равно количеству одновременно используемых цветов одного материала. Загружать разные виды пластика нежелательно — нет гарантии, что они нормально склеятся друг с другом.
Модели с одним соплом дешевле — от 10 000 рублей. Они используют только один вид пластика за раз и печатают одним цветом. Если вы хотите добавить красок в готовое изделие, придётся остановить печать и загрузить другой материал. Такие принтеры подходят для учёбы и хобби.
3D-принтер: что это и как он работает?
В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.
В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.
Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
Как создают изделия
За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.
Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.
Как запрограммировать 3D-принтер
Краткая инструкция по настройке принтера:
Можно ли применять напечатанные изделия
Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.
Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today
Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:
Что можно напечатать на 3D-принтере
Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.
Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.
Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.
Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse
Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:
— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;
— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;
Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse
— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.
Технологии 3D-печати
Кратко об основных методах 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.
Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.
Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.
Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.
Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.
На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today
Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.
Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.
Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.
Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.
Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.
Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.
Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru
Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.
В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома.
Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.
Как появился трехмерный принтер
Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.
Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно.
Первый 3D-принтер. Источник: habr
Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.
Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.
Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.
Печать тестового образца почки. Источник: BBC
В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».
Как устроен 3D-принтер
В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина.
Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:
Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters
Все это управляется компьютером.
Как создают изделия
За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком.
Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.
Как работает 3D-чертеж
Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.
3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr.
Как запрограммировать 3D-принтер
Краткая инструкция по настройке принтера:
Можно ли применять напечатанные изделия
Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью.
Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today
Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:
Что можно напечатать на 3D-принтере
Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.
Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel.
Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.
Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse
Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:
— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;
— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;
Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse
— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.
Технологии 3D-печати
Кратко об основных методах 3D-принтинга.
Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины.
Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.
Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения.
Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении.
Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.
Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.
На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today
Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.
Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие.
Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли.
Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems.
Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.
Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома.
Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru
Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани.
Где применяют 3D-печать
В основном в профессиональных сферах.
Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.
Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.
Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.
Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.
Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.
Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.
Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.
Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах
Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.
Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».
А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.
