Открываешь сайты СМИ и диву даешься. Кругом трудятся 3D-принтеры. Где наш человек, за редким исключением, хватается за лобзик и стамеску, дабы выточить что-либо важное-нужное, человек-с-3D-принтером, клавиатурой и Интернетом вообще не парится!

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Медики распечатывают копии мозгов и сердец, и проводят на них тренировочные операции. Инвалидов снабжают бионическими протезами, созданными буквально на подоконнике. Энтузиасты выращивают автомобильные кузова чуть более чем полностью. Развалилась шестеренка в миксере, и хорошо, распечатывают новую, более лучшую шестеренку. И еще все эти дракончики, рыцари, танчики и машинки!

----------------------<cut>----------------------

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

В общем, пора уже выходить из эры стамесок-лобзиков. У нас хорошие новости! 3D-принтеры сегодня вполне доступны, осталось только понять, что это за зверь такой. Нет проблем, знакомьтесь!

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Истории вопроса
Как многое хорошее в этом мире, технология трехмерной печати родилась из желания упростить себе работу. Американский инженер Чак Халл (Chuck Hull) создавал вручную пластиковые детали для прототипов нового оборудования. Работа занимала чудовищное количество времени и изрядно трепала нервы, ведь любая ошибка отправляла недоделанную деталь в корзину для отходов, и все приходилось начинать заново. Так что в 1986 году Чак Халл изобрел и запатентовал метод моделирования физических объектов из множества слоев эпоксидной смолы, отверждаемых (сможете быстро сказать 3 раза?) при помощи ультрафиолетового лазера. Метод получил название «стереолитография» (SLA), а Чак Халл основал первую в мире компанию по производству 3D-принтеров под названием 3D Systems.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Примерно в то же время другой инженер, Скот Крамп (S. Scott Crump) из Миннесоты, колдовал в гараже с клеевым пистолетом, заряженным смесью полиэтилена с воском. Крамп строил лягушку – игрушечную лягушку для двухлетней дочки. Сразу целиком отлить игрушку никак не получалось, поэтому инженер наплавлял пластик слой за слоем, производя огромное количество брака и мечтая автоматизировать процесс. В 1989 году Крамп запатентовал метод моделирования послойным наплавлением (FDM) и основал компанию по производству 3D-принтеров Stratasys.

С тех пор появилось несколько альтернативных технологий и производителей, но общие принципы работы всех поголовно 3D-принтеров остались неизменными: послойное выращивание физического объекта под управлением компьютера.

Как это работает
Компьютер – не человек, ему нельзя просто показать физический объект и сказать: «Сделай мне такой же». Зато компьютеру можно показать CAD-файл – цифровую модель физического объекта. Такие модели можно создавать самому в одном из графических пакетов для 3D-моделирования или скачивать из сетевых хранилищ вроде Thingiverse, на русскоязычном портале 3dtoday.ru и т.д. Модель подгоняется под условия печати конкретного принтера и отправляется в слайсер.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Вы же в курсе свежих кулинарных поветрий, всех этих «нарежем картофель слайсами», да? Вот с 3D-моделями происходит то же самое. Программа-слайсер «шинкует» цифровую копию будущего объекта на огромное количество ломтиков-слоев, а затем преобразует каждый слой в команды для принтера при помощи G-кода.

Интересно, но компьютерную составляющую 3D-печати даже придумывать по большому счету не пришлось. Чак Халл, а за ним и Скот Крамп использовали G-код – язык программирования для промышленных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), разработанный еще в начале 1960-х. Потому как 3D-принтеры и есть станки с ЧПУ, причем, с точки зрения станкостроения, станки очень простые. Принтер не фрезерует, не режет, не точит и не сверлит. Он строит цельное из частного, а не наоборот.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Мы в финале: принтер получает от компьютера (по USB или с карты памяти) команды на G-коде, выстраивает физическую модель первого слоя, затем наращивает на него второй, третий, и так до тех пор, пока объект не будет выращен целиком.

Какие бывают 3D-принтеры
Всю номенклатуру 3D-принтеров проще всего разбить по доступности для обычного пользователя. Собственно, тогда окажется, что видов 3D-печати, по большому счету, всего три: FDM, SLA и... все остальное.

FDM-принтеры (Fused Deposition Modeling) – запатентованное название родом из Stratasys. Устройство от нелюбителей патентов может называться FFF-принтером (Fused Filament Fabrication), но, по факту используется одна и та же технология послойного наплавления пластика.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Материалами для 3D-печати FDM-принтеров служат нити или прутки термопластиков. Они заправляются в печатную головку принтера, экструдер. Экструдер получает команды от компьютера, перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскости, затягивает в себя и расплавляет при помощи нагревателя пластик, выдавливает его в рабочее сопло и стреляет полученным аэрозолем сначала на рабочую платформу принтера (модельный стол), а затем наслаивает пластик слой за слоем, формируя желаемую физическую модель.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

В качестве материалов для печати используются различные пластики, как правило PLA и ABS, реже применяются нейлон, полиэтилен, поликарбонат, водорастворимый PVA и прочие термопластичные материалы.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

FDM-принтеры достаточно просты и не очень дороги, вполне рабочее устройство начального уровня можно приобрести сегодня на китайских торговых площадках в районе 15 тысяч рублей, а то и еще дешевле. Расходники тоже весьма доступны. Благодаря этим факторам FDM-девайсы занимают сегодня львиную долю рынка 3D-принтеров и отлично подходят для домашнего использования.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Для изготовления сувениров, художественных миниатюр, уникальных игрушек, полезных в хозяйстве шестеренок, крючков, рукояток, в общем, всего того, что в магазине не купишь, или не купишь вот прямо сейчас, когда оно край как нужно.

FDM-принтеры активно развиваются. Времена скучных одноцветных моделей подходят к концу. Современные принтеры нередко оборудуются не одной, а двумя-тремя катушками нитей, позволяющими изменять цвет в процессе печати. В конце 2016 года в продажу поступит FDM-принтер, который умеет смешивать цвета из разных катушек, создавая градиентные переходы настраиваемой длины. Ищите его по названию – da Vinci Junior 2.0 Mix.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Дешевизна конечного продукта, созданного FDM-принтерами, привлекает даже крупные фирмы. К примеру, чтобы выдать потребителю практически идеальный с точки зрения эргономики геймпад для консоли XBox One, компания Microsoft создала более двух сотен его прототипов, используя именно FDM-принтеры. Распечатали, протестировали, выбрали оптимальный вариант, затем переработали прототипы обратно в расходники. Дешево и сердито. FDM-принтер имеется даже на МКС, с его помощью космонавты изготавливают необходимые в хозяйстве уникальные космические инструменты и переходники с квадратного на круглое.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Кроме несомненных плюсов, есть у FDM-технологии и минусы. Модели, сформированные на их рабочих столах, получаются грубоватыми и часто требуют последующей доводки вручную. Добавим сюда выраженную слоистость и склонность к расщеплению под нагрузкой, необходимость работы с неэкологичными материалами (популярные ABS-пластики при расплавлении выделяют едкие и не самые полезные летучие вещества) и долгое время печати (часы и дни для сложных моделей).

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Большинства этих недостатков лишены SLA-принтеры, (Stereolithography apparatus). Метод лазерной стереолитографии построен на облучении жидкой фотополимерной (светоотверждаемой) смолы лазером.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Традиционно работает это так. Перфорированный модельный стол опускается в ванночку с жидкой смолой на очень малую глубину. Включается лазер и вычерчивает на поверхности смолы первый уровень будущей физической модели. Там, где он встречается с жидкостью, происходит ее полимеризация, материал твердеет. Затем стол с первым слоем погружается в смолу чуть глубже, и лазер вычерчивает второй слой. Процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет полимеризована целиком, останется только извлечь ее из ванны, промыть и высушить.

В более продвинутых принтерах лазер облучает смолы снизу, через прозрачное дно ванны. Модельный стол в таком случае не опускается, а поднимается, и готовая модель может быть в высоту гораздо больше глубины ванны.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

SLA-принтеры работают значительно (очень значительно!) точнее FDM-моделей. Технология крайне востребована в тех случаях, когда необходимо изготовление штучной или мелкосерийной продукции повышенного качества, с возможностью внесения оперативных изменений чуть ли не в процессе производства.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Стоматологи и ортопеды используют SLA-принтеры в протезировании; ювелиры создают наглядные модели будущих шедевров с мельчайшими подробностями; архитекторы строят и подвергают испытаниям масштабные ажурные конструкции будущих башен и мостов; детали, выращенные на модельных столах, используются в прототипах новейшей машинерии, в опытных образцах авто, авиа и космической промышленности.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Минусов у SLA-технологии до самых недавних пор было два. Первый — скорость работы. А еще до недавнего времени фотополимерные принтеры были чудовищно дороги и недоступны не то, что для домашнего пользователя, но и для мелких предприятий.

Прогресс на месте не стоит, и оба минуса потихоньку уходят в прошлое, хотя и разными путями. Скорость можно значительно повысить, используя вместо лазерных лучей специальные DLP-проекторы. Проектор не занимается кропотливым вычерчиванием тонюсеньких линий, он сразу проецирует картинку всего слоя целиком. Выигрыш по времени получается колоссальный, правда, принтеры с DLP-проекторами и стоят дороже, и особые фотополимеры для них тоже недешевы.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Зато традиционные лазерные SLA-принтеры становятся все более доступными. Пару лет назад цены на это оборудование зашкаливали за миллион рублей, а сегодня достаточно выложить чуть более 150 тысяч рублей, и передовое высокотехнологичное устройство привезут вам прямо на дом, в офис, или в любимую лабораторию. А вместе с ним и расходники – разноцветные фотополимеры и новейшие смолы с разными свойствами. Например, остающиеся эластичными после полимеризации.

Все остальные принтеры
Их много, но служат они, в основном, для выполнения каких-либо специальных задач, и доступны по большей части только крупным компаниям.

К примеру, существует ряд технологий 3D-печати металлических объектов. В них используется лазерное спекание металло-глиняного порошка (SLS), или сварка направленными электрическими импульсами (EBM), или даже послойное металло-клеевое напыление при помощи струйных 3D-принтеров. Спекание и сварка осуществляются в бескислородных камерах, и дома такие технологии ближайшую пару лет точно не появятся. Объекты же, созданные клеевым методом, могут быть действительно похожи на металлы, но лишь по виду, а отнюдь не по физическим свойствам.

Набирают обороты кулинарные 3D-принтеры, которые в буквальном смысле распечатывают еду. В Лондоне даже работает первый в мире ресторан Food Ink, все основные блюда в котором распечатаны такими принтерами.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

Медицинские принтеры уже умеют распечатывать вполне живую человеческую кожу, используя материалы, выращенные из стволовых клеток.

3D-принтеры с нуля: введение в культуру объемной печати

3D-принтеры даже дома уже строят, возводя ажурные бетонные конструкции без всякой опалубки. Быстро, точно и с минимальными отходами. В общем, без всяких натяжек, за 3D-печатью будущее!