3D-печатью уже никого не удивишь, так как эта технология постепенно входит в нашу жизнь и вскоре станет настолько же привычной, как и обыкновенные лазерные принтеры. Но вместе с этим она окажется по сути революционной и в процессе захвата массового рынка изменит нашу жизнь полностью. Представьте, что вы сможете напечатать все, что угодно, начиная от простых пластмассовых безделушек и заканчивая инструментами, одеждой, велосипедами, оружием и даже… человеческими органами на основе стволовых клеток. Более того, уже существуют принтеры, которые способны сами себя воспроизводить. И это совсем не фантастика!

Технологии 3D-печати

Трехмерная печать превращает компьютерную модель объекта в реально существующий предмет. Это происходит за счёт нанесения множества тончайших слоев, запрограммированных в специальных приложениях. Впечатление такое, словно предметы вырастают прямо из воздуха. Но это лишь верхушка айсберга, под которой скрывается масса нюансов. Начнем хотя бы с существующих технологий 3D-печати. Их огромное множество и фактически любая технология, которая позволяет создавать объект слой за слоем, условно считается трехмерной. То есть, технически, выпечка торта в несколько слоев или же заливка разноцветного желе могут быть признаны 3D-печатью.

Маркетологи постарались и здесь, так как 3D-печать – это, скорее, термин маркетинговый. Многие технологии трехмерной печати существуют уже более 30 лет, просто раньше они назывались быстрым прототипированием, послойным моделированием и т.д. Не обошлось на рынке трехмерной печати и без патентных войн, которые заставляют инженеров постоянно видоизменять технологии, придумывать новые названия и термины. Но если отбросить в сторону подобные нюансы, то сегодня можно будет выделить всего три технологии 3D-печати, которые и будут доминировать в ближайшие годы.

Итак, первая технология — это SLA (Stereolithography Рrocess — лазерная стереолитография). Технология запатентована в 1986 году лидером рынка, компанией 3D Systems Inc. Принтер, работающий по технологии SLA, состоит из резервуара, в который налита специальная жидкость (фотополимер). При воздействии на эту жидкость специальным образом (лазер, УФ, ИК) жидкость превращается в твердый пластик. Сверху в жидкость опускается специальная платформа, затем специальный луч проходит по слою (как правило, толщиной около 0,03 мм) жидкости под платформой. В результате жидкость затвердевает и прилипает к платформе. Таким образом 3D-принтер создает первый слой предмета. Затем принтер поднимает платформу на высоту слоя и все повторяется заново.

Технология имеет массу плюсов и минимум недостатков, что вроде бы делает ее самой перспективной технологией 3D-печати на рынке домашних устройств. Среди плюсов: колоссальная точность, фактически ничем не ограниченная, относительно высокая скорость печати, отсутствие технологических проблем с печатью (перегрев, расслаивание, обрушение под весом, сбой маршрута головки, плохое прилипание, отклеивание углов и т.п.). К минусам же, помимо цены, следует отнести несколько небольших недостатков, таких как небольшой выбор материалов (отсутствует ассортимент цветов) и относительно низкая физическая прочность готовых изделий. Скорее всего, эти недостатки временные и будут преодолены после массового распространения технологии.

В январе 2014 года на рынке должен появиться первый домашний SLA 3D-принтер Form 1. Стоимость этого устройства составит порядка 5000 долларов. Конечно, дорого, но это все равно на порядок дешевле, чем предлагают именитые конкуренты. Напомним, что принтер Form 1 в октябре 2012 года сумел собрать на кикстартере сумму в 10 раз больше, чем ожидали создатели. Принтер должен был выйти в 2013 году, но этого так и не случилось, так как у юристов возникли большие сомнения в законности выпуска данного принтера в обход патентов. Но даже если проект Form 1 окажется провальным, то ждать недорогих 3D-принтеров, работающих по технологии SLA, придется недолго.

Следующая технология трехмерной печати — SLS (Selective Laser Sintering — выборочное/ селективное лазерное спекание). Технология очень близка по своей сути к SLA, просто вместо жидкости используется порошок. Это более сложный процесс, так как он требует больше энергии на спекание материалов (особенно металлов), а также механизма для очистки и распределения порошка. Если в SLA жидкость под действием тяжести сама равномерно распределяется по резервуару, то в SLS с порошком подобного не происходит. Поэтому технология использует специальный валик, который равномерно распределяет порошок по поверхности объекта. Но зато SLS является единственной из доступных технологий трехмерной печати, которая не требует отдельного материала поддержки. Вместо материала поддержки используется сам порошок.

На данном этапе развития технология слабо подходит для домашнего применения, и является скорее решением для промышленности, так как такие принтеры массивны, дороги (свыше 10000 долларов) и загрязняют окружающую среду. Но, в 2014 истекает срок действия патентов на технологию SLS, а это означает, что в ближайшие годы технология будет резко дешеветь, и на рынке появится огромное количество новых игроков. Классические лазерные принтеры раньше тоже были громоздки, и порошок в них имел те же свойства, что и порошок в SLS-принтерах, но эволюция справилась с этими проблемами.

Если первые две технологии можно ассоциировать с обычной бытовой лазерной печатью на бумаге, то FDM (Fused Deposition Modeling — метод наплавления) —  это детище струйных технологий. Принтер расплавляет пластиковый прут, формирует из него каплю и выдавливает на платформу. Существуют модели, которые имеют несколько печатающих головок (extruder nozzle) и могут печатать несколькими цветами. Срок патентов на технологию FDM уже истек, что позволяет осваивать технологию любому производителю. Несложная механика и система управления (можно собрать из материалов, которые куплены в обычном радио-магазине), недорогие материалы изготовления, простые технологии, дешевые расходные материалы (пластик, скотч), большой ассортимент цветов и типов пластика делают эту технологию самой заманчивой для экспансии на рынок домашних 3D-принтеров, тем более, что примеры этому уже существуют.

Первой принципиальной схемой FDM-принтера, которая вошла в массы, стал принтер RepRap. Это был открытый проект для энтузиастов, которые мечтали создать принтер, способный воспроизводить себе подобные устройства. И теоретически это действительно оказалось возможно. Уже сейчас существуют токопроводящие сплавы, которые пригодны для использования в FDM-технологии. А значит, в будущем будет возможно печатать полноценные печатные платы при помощи самого принтера. Принтер RepRap позволил энтузиастам печатать простые, понятные людям вещи (игрушки, предметы быта), а открытость проекта позволила китайским производителям начать массово копировать устройства на своем необъятном рынке. Дальнейшим этапом стало улучшение качества принтеров и оттачивание технологии. Вначале стали появляться косметические улучшения. Например, модифицированная модель HanBot. Но некоторые фирмы пошли еще дальше и принципиально видоизменили схемотехнику принтера, улучшили конструкцию корпуса и создали концепцию дизайна будущего домашнего 3D-принтера. Одной из таких фирм стала компания MakerBot, которая создала из подручных материалов машину, способную уверенно тягаться с профессиональными принтерами, которые были дороже в десятки раз. Огромный успех MakerBot заставил снизойти к простым пользователям и более серьезных игроков рынка. Если раньше родоначальники FDM-технологии смотрели на рынок домашних 3D-принтеров с нескрываемой ухмылкой, то теперь они были вынуждены спешно развернуться в эту сторону. Принтеры Replicator спешно завоевывали малый бизнес, успешно вытесняя дорогостоящих конкурентов. Больше не было нужды покупать принтер за 100000 долларов, теперь его можно было купить в обычном супермаркете за 2000 долларов. Так, на рынке 3D-принтеров появились новые игроки, и именно они создали направление элитных домашних принтеров. Ярким примером являются принтеры Cubify CubeX от компании 3DSystems. Эти принтеры не нужно регулярно обслуживать и ремонтировать, но стоят они пока не мало (от 5000 до 7000 долларов). Но и эта цена не будет держаться долго, так как уже сегодня множество компаний по всему миру модернизируют наработки MakerBot и RepRap, ежедневно улучшая качество домашних 3D-принтеров и снижая рыночную цену. Кстати, о своем желании занять нишу и в сегменте трехмерных принтеров объявила компания НР, а мы знаем, как этот производитель ведет себя на рынке печати. Стоит вспомнить хотя бы то, как быстро цветная лазерная печать стала доступной для домашних пользователей благодаря массированной атаке этого вендора. 

Зачем в офисе и дома 3D-принтер?

Теперь давайте подумаем, чем нам сможет помочь современный 3D-принтер в доме или офисе уже сегодня. Эти устройства способны печатать из множества материалов, но прежде всего это ABS- и PLA-пластик. Но возможно создавать предметы из металлического порошка, биомассы, пищевых веществ и др. Разнообразие исходных материалов расширяет возможности печати практически до бесконечности. Во-первых, это моделирование. Концептуальное моделирование позволяет небольшим проектным и конструкторским фирмам расширять свои возможности за счет испытания большего количества идей и разработки только перспективных проектов. Для крупных компаний концептуальное моделирование в отделах и даже на отдельных рабочих местах является способом доведения идей до совершенства перед их представлением руководству. Концептуальные модели, изготовленные методом трехмерной печати, могут стать ценными средствами коммуникации, сообщая идеи коллегам, клиентам и покупателям так, как никогда не сможет ни одна компьютерная модель. Технология моделирования методом FDM позволяет изготавливать доступные и прочные концептуальные модели из термопластика производственного класса. Удобные для использования в офисе 3D-принтеры, построенные на этой технологии, позволят производить мелкие модели за несколько часов, а крупные за несколько дней. При желании концептуальные модели FDM можно сверлить, шлифовать и окрашивать.

Второе направление офисной 3D-печати — это прототипирование. Если вам нужны функциональные прототипы из термопластиков производственного класса, такого как ABS и PLA, а также высокоэффективные прототипы, выдерживающие термические, химические и механические нагрузки, то стоит довериться технологии послойного наложения расплавленной полимерной нити (та же технология FDM). Прочные прототипы и индивидуальные тестовые крепежные элементы помогут вывести функциональные испытания на новый уровень для достижения превосходных показателей производительности и уверенности в сертификации. С помощью 3D-принтера вы сможете создавать также компоненты конечного изделия. Благодаря термопластику, который по многим параметрам превосходит воск и прессованную бумагу, 3D-принтеры позволяют создавать очень прочные, стабильные и легко воспроизводимые компоненты в отрасли. Благодаря точности, сопоставимой с точностью литья под давлением, и набору настоящих термопластичных материалов, производителям не приходится отказываться от сложных задач, связанных с мелкосерийным производством и изготовлением уникальных деталей. Дизайнеры и инженеры-технологи могут свободно придавать компонентам естественные формы и использовать сложную геометрию, в том числе внутренние полости и отрицательные уклоны. Традиционные ограничения производства не существуют в мире 3D-печати. Более того, современный ассортимент пластмасс для трехмерной печати позволяет создавать пластиковые детали, которые почти неотличимы по своим характеристикам от других более привычных материалов. Создаете элементы освещения? Печатайте полупрозрачные объекты не из хрупкого стекла, а из полупрозрачного ABS пластика. Специализируетесь на металлических изделиях? Используйте золотистый и серебренный PLA. Нужен металлический блеск? Полируйте ABS детали в парах ацетона. Вы специалист по деревообработке? Печатайте пластиком, созданным на основе древесных волокон. 

Немало сфер применения можно найти для 3D-принтера и дома. Например, печать запасных частей, что упростит процесс поиска нужной детали. Просто нарисуйте ее на компьютере и распечатайте. Можно использовать готовые схемы для печати или самому нарисовать красивый и эксклюзивный чехол для вашего смартфона. Что же касается игрушек, то здесь вообще открывается простор для полета фантазии. Вы сможете печатать компоненты LEGO, диснеевских героев, коллективные игры и многое другое самостоятельно. Вам понравилась дизайнерская ваза за 1000 долларов? Нет нужды платить такие деньги! Найдите ее макет в Сети и просто распечатайте на 3D-принтере. Такую деталь не страшно сломать, не боишься потерять, а если она понравится вашим друзьям, то всегда можно напечатать еще одну копию. Это лишь небольшой список того, что нам может дать 3D-печать уже сегодня. При помощи нее можно печатать авиамодели, корпуса для вашей робототехники или плат, подшипники и направляющие, елочные игрушки, сувениры, декоративные коробки и боксы, несущие элементы, сложные механизмы, подставки и крепление, и многое другое.

Перспективы

Вроде бы с тем, что нам может дать 3D-принтер сегодня, мы разобрались. Осталось понять, что привнесет в мир технология 3D-печати в недалеком будущем. Президент США Барка Обама в своем «Обращении о состоянии страны» назвал 3D-принтеры одной из самых перспективных технологий, которая способна «изменить то, как мы создаем почти все вещи». Что это значит? Несложные подсчеты говорят о том, что практически 70% от цены продукта составляет оплата за логистику и посредничество. Только подумайте, что какие-то продукты можно будет воспроизводить в домашних условиях? Профессиональный рынок принтеров принесет еще больше сюрпризов. Например, легкие и цельнонапечатанные транспортные средства совершат революцию а автомобильной промышленности. Уже сейчас существуют принтеры, которые способны напечатать целый дом. Такие дома будут возводиться быстрее и точнее, станут более прочными и стоить будут дешевле обычных. Существующие технологии позволяют построить дом цельным, вместе с внешней и внутренней отделкой, коммуникационными системами и даже мебелью. Конечно, начнут 3D-принтеры с построения отдельных коробок, но огромное количество плюсов подобного строительства быстро наберет обороты. Ну и конечно сферой, где найдут применение технологии 3D-печати, станет медицина, а именно печать тканей, полноценных органов, мышц, протезов и лекарств. Например, в Принстонском университете сумели напечатать ухо, причем не из пластика, а с помощью биомассы с высоким содержанием стволовых клеток, способных трансформироваться в хрящевую ткань. Это не полноценное ухо, а что-то вроде устройства для восприятия радиоволн. Исследователи старались изучить возможность объединения электроники и живой ткани. А в Корнеллском университете США уже сейчас разрабатывают методику восстановления поврежденных межпозвонковых дисков с помощью биомассы с высоким содержанием стволовых клеток. Кстати, и пищевая промышленность готовится к приходу 3D-принтеров. В ближайшее время полуфабрикаты и другие пищевые компоненты будут продаваться в порошках, а принтер будет их смешивать/подогревать/разбавлять и формировать тем самым приятный человеческому глазу образ пищи. Конечно, подобные эксперименты не смогут вытеснить привычную кулинарию, но энтузиасты, безусловно, найдутся.

Конечно, как это ни прискорбно, но у 3D-печати есть и оборотная сторона. А именно те возможности, которые открывает технология для печати оружия. Пистолет Liberator и винтовка «Гризли 2» тому живые примеры. Такое оружие может скачать и распечатать любой школьник, такое оружие не способен засечь не один металлодетектор, и такое оружие… убивает! На фоне этой проблемы даже такие «шалости», как возможная подделка печатей и ключей, кажется детской забавой. 

Как получать 3D модели для печати?

Существует несколько вариантов: скачать в одном из каталогов 3D-моделей (например, на сайте www.3dprinter.net), нарисовать модель в 3D-редакторе (например, в 3D-редакторе SketchUp) или отсканировать существующий объект. Сканер позволит вам отсканировать предмет, затем подправить его в 3D-редакторе и распечатать с нужными вам характеристиками.

Есть масса профессиональных устройств для архитекторов, скульпторов и т.д., стоимостью от 2000 до 20000 долларов. Среднестатистическому человеку такой сканер не по карману, и, если вы ограничены в средствах, то единственным выходом может стать Microsoft Kinect. Да, не удивляйтесь, но это самый доступный 3D-сканер из существующих на рынке. Причем, устройство может похвастаться отличным качеством изготовления и неплохими характеристиками.

Существуют две программы, которые позволяют перевоплотить игровой контроллер в профессиональный 3D-сканер. Первая — это Skanect (разработка французской компании Manctl), которая может создать трехмерное изображение комнаты со всеми объектами в ней. Для создания 3D-модели окружающего пространства пользователям достаточно недолго вращать Kinect вокруг себя. Ровно до тех пор, пока на экране компьютера не появится четкое изображение, которое можно наблюдать с любой стороны. Для детализации отдельных фрагментов модели придется еще раз навести камеру на нужные объекты. Пропорции виртуальной комнаты остаются точно такими же, как и у прототипа, так что на компьютере можно даже измерить расстояния между объектами. Вторая — программа Kinect Fusion, которая входит в состав Kinect SDK. Kinect Fusion быстро создает высоко детализированные 3D модели, принимая глубину данных, полученных от датчиков Kinect для Windows, усредняя показания последовательности сотен или тысяч кадров. Это позволяет системе создать более детальную модель. Кроме этого, Kinect Fusion также может быть использован для приложений дополненной реальности 3D и с 3D-измерениями.

По материалам сайта http://3dprinter.org.ua