За рамками монитора: технология 3D-печати

Прогресс – штука удивительная и крайне занимательная. С каждым годом она подкидывает нам все более интересные новинки в области IT-индустрии, и с каждым годом, как это ни странно, таких новинок становится все больше, а сами они – интереснее. С конца прошлого года по всему миру прокатилась волна восторженных отзывов о новой реинкарнации стереоскопического 3D – технологии, которую почему-то решил взять себе на вооружение каждый более-менее известный режиссер. Ну а дальше понеслось – 3D-мониторы, телевизоры, экраны, специальные очки и прочая ерунда, негативно влияющая на наши глаза. Народ скушал всю эту новизну с особым аппетитом и просит добавки. Однако сегодня речь пойдет совсем не об объемной визуализации, а о гораздо более старой технологии, но притом более реальной – 3D-печати.

Перенести текст или картинку с экрана монитора на плоский лист бумаги сегодня уже не составляет труда – делается это очень быстро, реализуется просто, а используется повсеместно – принтер и сканер справляются с этими задачами на ура. Но что делать, если вдруг необходимо перенести деталь или модель, выполненную в каком-либо CAD-приложении, в объемный и осязаемый прототип? Выпиливать его вручную, соблюдая все размеры и пропорции, при этом затрачивая львиную долю времени, средств и ресурсов? Печать 3D как раз и создана для того, чтобы решить такие проблемы и позволить человеку не только распечатывать информацию в плоскости, но и создавать осязаемые трехмерные модели и прототипы. Как происходит печать такой модели? Как устроен 3D-принтер и какие существуют способы трехмерной печати? Попытаемся во всем разобраться в этом материале.


Немного теории

Прежде чем рассказывать о самой 3D-печати, следует немножко углубиться в теоретическую часть и понять, для чего вообще все это нужно. Во-первых, как было сказано ранее, трехмерная печать позволяет в кратчайшие сроки создать необходимый прототип – все-таки инженерам будет куда легче понять, какой именно им нужно будет сделать элемент конструкции, если его можно будет пощупать и визуально оценить. Во-вторых, с созданным прототипом можно провести все необходимые тесты еще до создания готовой продукции, что значительно удешевит производство и избавит от возможных проблем.

К примеру, нужно проверить аэродинамику какой-либо детали, использующейся в новеньком автомобиле – вместо многодневной работы, готовый прототип будет в руках инженеров уже через несколько часов, и позволит измерить его базовые характеристики на практике. Или другой пример – строится дом, и нужно быстро и качественно изготовить его точный макет. Все что требуется, так это спроектировать здание в CAD-приложении и дать 3D-принтеру выполнить всю тяжелую работу – строение в заданном масштабе (в рамках разумного, конечно) будет, опять же, готово всего через несколько часов. Наконец, 3D-печать можно применять в малосерийном производстве при создании форм для литья. Таким образом, у предприятия появляется возможность существенно экономить как драгоценное время, так и ресурсы, быстро и качественно создавая необходимые прототипы для своих нужд.

3D в массы!

Наиболее приближенными к 3D-принтерам устройствами являются микростанки, широко распространенные в производственной сфере. Они относительно недороги, их вполне реально найти в продаже у нас в России, чего не скажешь о многих современных 3D-принтерах. Такие девайсы в какой-то мере являются главными конкурентами 3D-печатающих устройств. Внешне микростанки очень похожи на токарно-винторезные агрегаты, которыми мы не раз пользовались на уроках труда, только по своим размерам они гораздо компактнее, а внешне выглядят намного симпатичнее. Микростанки получили также название Desktop CNC Machines (станки с числовым программным управлением). Управление этими устройствами происходит из CAD-приложения, в котором задаются все необходимые размеры будущей детали, указываются отверстия и несложная геометрия. Далее такой станок начинает вырезать, выпиливать и высверливать спроектированную модель из заготовки нужного материала (пластик, алюминий или дерево). Многие модели CNC-станков подключаются к компьютеру вместо обычного принтера и позволяют обрабатывать материал, по габаритам сравнимый с кирпичом, при этом станок позиционирует работающий инструмент с точностью до сотых долей миллиметра. Стоимость этой игрушки укладывается в $1500-2000, что относительно немного для такой полезной штуковины. Другие варианты CNC-станков позволяют не только вырезать нужную деталь, но и сканировать уже существующую, переводя ее в CAD-модель на компьютер.

Лазерная 3D-печать

Технология 3D-печати появилась достаточно давно, в середине 80-х, и первые действующие модели 3D-принтеров стали заполнять рынок буквально через несколько лет. Пик популярности данных устройств пришелся как раз на середину 2000-х, когда уже сформировалось то множество различных принципов, по которым работают воспроизводящие объемные модели устройства. Их цена стала более низкой, а на рынке появились первые серийные образцы. Суть работы любого 3D-принтера сводится к созданию объемной трехмерной модели из многих сотен и даже тысяч слоев материала. Это может быть пластик, бумага, гипс или даже мягкий металл вроде алюминия или меди. При этом существует два основных принципа работы любого такого 3D-устройства, и по аналогии с обычными принтерами они разделяются на лазерную и струйную печать.

Самая старая и пожилая – лазерная, включающая в себя стереолитографию (SLA), позволяющую создавать трехмерную модель по компьютерным CAD-чертежам. Она была придумана в 1986 году Чарльзом Халлом, который впоследствии основал компанию 3D Systems, занимающуюся производством и разработкой новых моделей 3D-принтеров. Принцип стереолитографии основывается на фотополимере, который находится в жидком состоянии. При просвечивании этого полимера специальным ультрафиолетовым лучом он застывает, образуя очень плотный и жесткий каркас. В комплекте с лазерным 3D-принтером поставляется специальная программа, разрезающая нужную компьютерную 3D-модель на множество слоев толщиной примерно в 0.1 мм. Кроме того, она переводит каждый слой в рисунок, который впоследствии и начинает "печататься". Фотополимер заливается тонким слоем, просвечивается, застывает, сверху накладывается следующий слой, который вновь застывает под ультрафиолетовым лучом. После многократного повтора таких действий образуется готовая модель прототипа, после чего она промывается и очищается от лишних остатков полимера. На SLA-принтерах можно печатать детали относительно больших размеров – до 75 см в высоту. Однако сами устройства очень дороги и отличаются большими размерами – величиной размером с немаленький шкаф, они весят около тонны, а стоят в районе 150 тысяч евро. Кроме того, следует отметить и небольшую скорость воспроизведения – всего несколько миллиметров в час. Компенсирует медленную скорость и большую цену высокое качество конечной модели, которая к тому же становится очень надежной и прочной.

Более быстрая и дешевая методика – технология лазерного спекания (SLS), где в роли заготовочного материала выступает уже не фотополимер, а порошок из легкоплавкого пластика. В 3D-принтере, работающем по такому принципу, лазер вырезает сечение будущей детали на порошке, который разогревается до температуры плавления и впоследствии спекается. Далее процедура повторяется – насыпается следующий слой порошка и лазер вновь выжигает очередной слой. Данная технология была придумана в середине 80-х, в 1989 году запатентована Карлом Декардом и сейчас используется в продукции компании DTM Corporation. Лазерное спекание позволяет получить очень качественные и прочные модели при относительно высокой скорости (около нескольких сантиметров в час плюс время на прогрев и остывание). Из основных положительных моментов надо отметить возможность печати металлических изделий. Это происходит за счет использования металлической стружки, которая "обваляна" в мельчайших частицах полимера. Модель, изготовленная из такого порошка, помещается в специальную печь, где весь полимер выгорает, а металлическая стружка сплавляется. В результате получается металлическая деталь из смеси стали и бронзы, готовая к использованию. В качестве основы в таком порошке может быть использована керамика или стекло, что позволяет создать после процедуры запекания термостойкую или устойчивую к химическим веществам модель.

В струю

Струйная 3D-печать очень схожа с работой обычного принтера, только вместо краски соплом выдавливается некоторое количество разогретого пластика на охлажденную платформу. Капли очень быстро застывают и образуют один из слоев будущей трехмерной модели (как и в лазерной печати, создание модели ведется послойно). NASA даже собирается интегрировать такой 3D-принтер в космический корабль, рассчитанный на длительные экспедиции. Ведь астронавтам наверняка понадобится какая-то деталь для ремонта или замены, и подобное печатающее устройство попросту не нужно. Все-таки компактный 3D-принтер с несколькими десятками исходного материала куда компактнее полновесного механического цеха.


Существует технология струйной 3D-печати и с использованием полимерного порошка. Компания Z Corporation активно ее продвигает, причем в последнее время весьма и весьма успешно. Специальная головка впрыскивает на гипсовый или крахмальный порошок клеящую основу, которая при застывании образует один из слоев будущей модели. Вся фишка данной технологии состоит в том, что в клей можно добавлять красящие вещества и делать модель не только объемной, но и разноцветной. Принтеры, работающие по такому принципу, стоят относительно немного – от 8 до 30 тысяч долларов, что в десятки раз меньше стоимости лазерных аналогов. Компания ProMetal использует схожий принцип 3D-печати, что и Z Corporation, только вместо порошка на гипсовой основе используется металлическая крошка. Ну а дальше дело за малым – обжечь получившуюся модель в печи и получить готовую модель.

Самым дешевым на сегодняшний день 3D-принтером является устройство Mcor Matrix от компании Mcor Technologies, позволяющее послойно строить объемный каркас из обычных листов бумаги. Формируется будущая модель так же, послойно, только вместо дорогих компонентов, вроде полимерного порошка или фотополимера, используются обычные листы формата А4. После того как принтер вырежет слой из листа, он нанесет на него клей, затем сверху будет наложен следующий. В конце концов вся модель еще раз покрывается тонким слоем клея для увеличения прочности и, застывая, образует необходимый прототип. Компания Mcor Technologies уже заявила о том, что печать на собственном 3D-принтере будет обходиться в 50 раз дешевле, чем у аналогов; при этом сама стоимость принтера оценивается в жалкие $1500-2000.

Напечатайте мне бомбардировщик

Если ты все еще думаешь, что 3D-принтер – это не больше чем игрушка в руках дизайнеров и производителей товаров для близлежащих ларьков, следует рассказать о компании Lockheed Martin, которая 4 года назад на авиашоу в Лондоне продемонстрировала рабочий прототип самолета-невидимки с размахом крыльев 27 метров, детали которого практически полностью были сделаны на 3D-принтере. P-175 Polecat был построен за 18 месяцев, обошелся своим создателям в смехотворные, по меркам военной техники, 27 млн. долларов и способен подниматься в высоту до 20 км, перемещаясь на сверхзвуковой скорости. Всего аппарат состоит из 200 элементов, созданных на 90% из композитных и полимерных материалов. Естественно, на 3D-принтере невозможно отпечатать электронику, ЖК-дисплей или еще какие навороченные штуки, так что изготовление деталей самолета-невидимки свелось к созданию элементов его жесткого каркаса. Но чего уж и говорить – подобная идея и ее конечная реализация достойны похвалы. Так что если обзавестись приличным количеством материала, современным CAD-приложением и парой-тройкой 3D-принтеров, можно будет собрать настоящий танк прямо в своей комнате и ездить каждое утро на работу, не опасаясь пробок.

Радости 3D

Таким образом, мы видим, что трехмерная печать становится все более популярной и дешевой, доступной если не для широких масс, то, по крайней мере, для большинства средних производственных компаний. При помощи 3D-принтера можно в очень короткий срок создать необходимый прототип и даже использовать его по назначению, если он выполнен из подходящего материала. Только представь себе недалекое будущее, где можно будет прийти в какой-нибудь офис и по заказу распечатать созданную тобой модель. Это может быть что угодно – от гаечного ключа до какой-то очень важной и редкой детали в двигателе раритетного родстера. Уже сейчас на просторах Интернета можно найти десятки различных моделей 3D-принтеров с различной стоимостью и скоростью печати до 2 см в час! При этом их размеры вполне сопоставимы с небольшой тумбой и вполне могут найти себе место в обычном офисе. Конечно, цена на такие устройства все еще велика, и зачастую варьируется от стоимости поддержанного отечественного автомобиля до стоимости болида "Формулы 1". Поэтому многие компании сдают 3D-принтеры в аренду или за умеренную плату изготавливают необходимые модельные образцы на собственных "производственных мощностях". Например, у нас в России средняя цена за один кубический сантиметр изготовленной трехмерной продукции равна 30 рублям, но, опять же, стоит оговориться – многое зависит от объема заказа, используемого материала и технологии, по которой будет печататься модель.

А пока все не стало таким веселым и радужным, нам остается смотреть в будущее с нескрываемым оптимизмом – уже сейчас технология 3D-печати в медицинких учреждениях позволяет создавать примитивные органы, в которых полимеры заменены обычными выращенными клетками, а роль клея, соединяющего их, выполняет специальный биогель, растворяющийся после сращивания клеток. Кто знает, может через несколько лет 3D-принтеры научаться печатать не только модели, но и настоящие человеческие органы, готовые к трансплантации.