3D-печать уже давно вышла за пределы футуристических фантазий и активно используется в самых разных сферах нашей жизни. Сегодня она позволяет создавать буквально все: от первых прототипов новых продуктов до полноценного производства деталей для самолетов и даже космических аппаратов. Эта технология стала настолько универсальной, что ее применяют в различных отраслях — начиная с производства канцелярских принадлежностей и автозапчастей и заканчивая изготовлением шоколада. 3D-печать перестала быть чем-то удивительным, она перешла в разряд привычных инструментов, которыми пользуются инженеры, дизайнеры, медики и даже кулинары.
Архитекторы создают с помощью 3D-принтеров макеты зданий, позволяющие детально проработать проекты еще на стадии планирования. В строительстве применяют 3D-принтеры для возведения элементов зданий, что ускоряет процесс и позволяет снизить затраты на материалы. В медицине технологии 3D-печати используются для создания биологически совместимых имплантатов и протезов, а в перспективе — и органов, что открывает огромные возможности для пересадок. Дизайнеры одежды и обуви также не отстают, экспериментируя с формами и материалами, которые можно печатать с высокой точностью и минимальными затратами.
С каждым годом появляется все больше интересных примеров использования 3D-принтеров. В 2011 году на конференции TED мир был ошеломлен, когда при помощи 3D-принтера, заправленного биогелем, была напечатана человеческая почка. Это событие стало настоящим прорывом в биоинженерии и показало, что возможности 3D-печати выходят далеко за рамки привычного производства. А в 2017 году Adidas анонсировала выпуск кроссовок, которые можно напечатать всего за 20 минут.
Технологии Илона Маска всегда находятся на передовой, и компания SpaceX тоже обратила внимание на 3D-печать. В ходе успешных испытаний были использованы двигатели, созданные с применением 3D-принтеров.
В этой статье мы расскажем о том, как работает эта чудесная технология.
Кто изобрел 3D-печать?
Первая 3D-печать по технологии стереолитографии была воплощена в жизнь еще в середине 1980-х годов благодаря Чарльзу Халлу. Он и создал первый 3D-принтер, способный работать с фотополимерной смолой. Хотя поначалу это была довольно дорогая технология, использовавшаяся в основном в коммерческих целях (цены на такие машины могли доходить до десятков тысяч долларов), за последние годы появились более доступные варианты. Сейчас можно встретить настольные профессиональные SLA-принтеры, стоимость которых составляет всего несколько тысяч долларов, а для домашних пользователей есть и бюджетные модели, которые можно приобрести за пару сотен долларов.
Основы
Итак, что же такое 3D-печать? В своей основе это процесс создания трехмерного объекта, слой за слоем, из выбранного материала. В отличие от традиционных методов производства, когда материал режется или сверлится (так называемый субтрактивный процесс), 3D-печать — это процесс аддитивный, то есть объект создается с нуля, путем добавления материала, как если бы вы строили его из маленьких кирпичиков. Принтер наносит слои материала, формируя полноценную трехмерную модель, которая была создана на компьютере.
Эта технология уникальна еще и тем, что позволяет использовать разные материалы. Чаще всего в качестве основы берут пластик, но существуют модели, которые могут работать с металлом и другими веществами.
Для работы с 3D-принтером обязательно нужно иметь готовый цифровой файл. Такие файлы могут быть созданы с помощью программ для трехмерного моделирования, например CAD (система автоматизированного проектирования), или получены через 3D-сканер, который переводит физические объекты в цифровые.
Многие задумываются: можно ли вообще называть это «печатью»? Ведь привычный для нас процесс печати обычно ассоциируется с нанесением текста или изображений на бумагу. Но, несмотря на существенные различия, 3D-печать действительно относится к категории печати. Суть ее заключается в создании твердых объектов путем последовательного нанесения слоев материала — будь то пластик, металл или что-то другое — согласно цифровой модели, хранящейся на компьютере. Это очень похоже на то, как традиционные принтеры наносят на бумагу чернила, хотя слой настолько тонкий, что его высота не видна невооруженным глазом. В 3D-печати этот принцип был значительно расширен — объект формируется не за один слой, а через многократное наложение слоев, создавая реальную трехмерную форму.
Как это работает
Технология 3D-печати использует разнообразные методы, и каждый из них имеет свои особенности. Один из самых распространенных вариантов — это моделирование методом наплавления (FDM), который также называют послойным наплавлением (FFF). В этой технологии используется пластиковая нить, чаще всего из ABS или PLA, которая плавится и через нагретую экструзионную головку послойно наносится на рабочую поверхность.
Первый 3D-принтер, использующий этот метод, появился на рынке еще в 90-х годах благодаря компании Stratasys при содействии IBM. Эта технология по-прежнему остается популярной.
Кроме того, существуют и другие способы 3D-печати. Например, многоструйное моделирование (Multi-jet modeling) — это метод, при котором принтер распыляет цветное клееподобное вещество на слои порошка. Эта технология одна из самых быстрых и, что немаловажно, позволяет печатать объекты в нескольких цветах одновременно.
Некоторые умельцы даже модифицируют обычные струйные принтеры, чтобы те работали с материалами, отличными от чернил. Благодаря творческому подходу к использованию пьезоэлектрических печатных головок, такие принтеры могут печатать разными веществами. Некоторые печатные головки даже изготавливаются на других 3D-принтерах!
Еще одной техникой является селективное лазерное спекание (SLS), при котором мощный лазер сплавляет частицы пластика, металла, керамики или стекла. Остатки материала после завершения печати могут быть переработаны и использованы повторно. Электронно-лучевая плавка (EBM) работает по схожему принципу, только вместо лазера используется электронный луч для плавления металлического порошка. Эта технология часто применяется для создания медицинских имплантов и авиационных деталей, а в качестве материала нередко используется титан.
Материалы для 3D-печати варьируются в зависимости от метода. Это могут быть как металлы (например, нержавеющая сталь, алюминий, титан), так и различные пластики, полимеры, керамика, гипс, стекло. Но на этом возможности не заканчиваются — 3D-принтеры могут использовать даже продукты питания, такие как сыр, глазурь и шоколад.
Стереолитография
Еще одной интересной технологией, используемой в 3D-печати, является стереолитография, или SLA. В основе работы таких принтеров лежит фотополимерная смола, которая затвердевает под воздействием ультрафиолетового (УФ) лазера. Представьте себе большой резервуар, наполненный жидкой смолой, которая чувствительна к свету. Лазер направляется на поверхность этой смолы, и в тех местах, где он касается материала, происходит его затвердевание. Лазер поэтапно «рисует» объект, слой за слоем, согласно инструкции, прописанной в цифровом файле. В результате из жидкой массы постепенно появляется твердый трехмерный объект.
Похожим способом работает и 3D-печать с использованием технологии DLP (digital light processing). Однако в этом случае для отверждения полимера используется не лазер, а свет, исходящий от цифрового проекторного устройства. Световой поток воздействует на жидкий полимер, превращая его в твердый слой за слоем, пока весь объект не будет завершен. Оставшаяся после этого жидкая смола просто сливается. Обе технологии позволяют создавать невероятно детализированные объекты, и именно за это их ценят многие пользователи — от инженеров до художников.
Кому полезна 3D печать
3D-печать открывает новые горизонты для дизайнеров, позволяя им быстро превращать свои идеи в готовые модели или прототипы. Этот процесс, который часто называют «быстрым прототипированием», значительно ускоряет внедрение изменений в проект и позволяет работать с большей гибкостью. Одно из важных преимуществ заключается в том, что производители могут выпускать продукцию по требованию, а не в больших партиях, что упрощает управление запасами и снижает необходимость в больших складских помещениях. Технология также позволяет изготавливать объекты в удаленных местах, где доступ к определенным товарам может быть ограничен. Кроме того, 3D-принтеры способны создавать сложные объекты с внутренними структурами, которые невозможно реализовать традиционными методами, такими как литье под давлением.
С практической точки зрения, 3D-печать экономит материалы и деньги, поскольку в процессе используется лишь то количество сырья, которое необходимо для создания объекта. Это сильно отличается от методов, при которых материал удаляется (например, при фрезеровке), что приводит к большим отходам. Кроме того, 3D-печать меняет саму природу производства: теперь пользователи могут скачивать файлы и печатать даже сложные объекты у себя дома, вместо того чтобы покупать готовую продукцию.
Технология развивается
Научные исследования в области 3D-печати активно развиваются, и уже сейчас существуют принтеры, способные печатать искусственные органы. Хотя эти технологии пока на стадии разработки, они дают надежду на серьезные медицинские прорывы в будущем.
Исследователи из Корнеллского университета еще в 2006 году разработали открытый 3D-принтер Fab@Home, который использовали для печати продуктов — главным образом из шоколада, сыра и теста для печенья. Сегодня некоторые рестораны тестируют прототипы принтеров для приготовления пищи, которые работают с такими ингредиентами, как паста, глазурь и даже мясо.
В 2023 году Министерство сельского хозяйства США дало зеленый свет продаже 3D-печатного мяса, выращенного из клеток животных и выдавленного через сопло слоями. Компании Upside Foods и Good Meat получили разрешение на производство и продажу культивированного куриного мяса. Однако, несмотря на это, 3D-печатное мясо пока не представлено на полках крупных магазинов и сталкивается с законодательными барьерами в ряде штатов. Например, во Флориде и Алабаме его продажа уже запрещена, и другие штаты также рассматривают возможность введения подобных ограничений.