Как это работает: 3D-принтер

За последние годы эта интересная технология получила колоссальное развитие, а недавно стала доступна без преувеличения всем. В последние пару лет на рынке стали появляться 3D-принтеры, ориентированные не на промышленный сектор, а на индивидуального потребителя. Кроме того, современные разработки позволили печатать даже еду, что выходит за рамки самых смелых представлений. Не так давно мир облетела новость о том, что 25-летний американец смог напечатать пистолет, который вполне может стрелять. Обо всем этом далее.

Технологии 

История объемной печати развивалась одновременно в нескольких направлениях. Тем не менее все технологии основаны на одном и том же принципе – послойном выращивании твердого объекта. По сути, любой предмет, создаваемый принтером, рождается постепенно, слой за слоем. А вот как и из чего формируется каждый из этих слоев, зависит от используемой технологии. 

Условно все технологии, за исключением некоторых необычных, можно поделить на две большие группы – лазерные и струйные, знакомые нам по обычной, «плоской» печати. Первые шаги в зарождении и развитии объемной печати были сделаны в направлении лазерной технологии в 1980-х годах, когда отец современной 3D-печати Чак Халл заложил основы послойного выращивания объемных объектов из специального фотополимера. 

В 1986-м году им был получен патент на технологию стереолитографии (STL). При использовании этой технологии объект, который мы печатаем, создается из жидкого фотополимера. Этот материал находится в специальной ванне, куда и погружается заготовка раз за разом. Лазерный луч или свет мощной ртутной лампы заставляет затвердевать все новые и новые слои материала, пока процесс печати не будет завершен. 

Первые промышленные устройства, работающие по принципу лазерной стереолитографии, были выпущены в 1987-м году основанной Халлом компанией 3D System. Примечательно, что первые версии машин выборочно поставлялись заказчикам для тестирования совершенно бесплатно, что позволило относительно быстро выйти на серийное производство востребованных моделей. 

В 2012-м году компания выпустила первые потребительские 3D-принтеры, получившие название 3D Cube. При стоимости в 1300 долларов такой принтер способен печатать объекты не больше куба с гранью 12,7 см. 

Во второй половине 1980-х годов появилась еще одна ключевая технология объемной лазерной печати – селективное лазерное спекание (SLS). Технология использует не жидкий, а порошковый материал, спекая его слой за слоем в готовое изделие. 

Для начала в рабочую камеру помещается слой специального порошка, из которого будет состоять предмет. Этот порошок нагревается до температуры, близкой к температуре плавления материала, а затем тщательно разравнивается. После этого лазерный луч расплавляет порошок в нужных местах, и тот спекается. После застывания насыпается новый слой, и процедура повторяется снова. 

У такого способа есть несколько преимуществ по сравнению с STL. Во-первых, в одной камере можно одновременно печатать сразу несколько объектов, главное, чтобы ее размеры позволяли. Во-вторых, спекать можно частицы совершенно различных материалов. Это могут быть полимеры, нейлон, литейный воск, металлические порошки и многое другое. Необходимо лишь тщательно очищать рабочую камеру от остатков при смене материала. Близка к SLS по своей сути технология электронно-лучевой плавки. С ее помощью осуществляется плавление металлического порошка под действием электронного луча в вакууме. 

В 1985-м году, еще до того, как Чарльз Халл создал свою технологию, компания Helisys представила общественности свое видение того, каким должно быть быстрое прототипирование. Разработка получила название ламинирование (LOM). Для создания объектов по этой технологии используются листовые материалы, которые и накладываются слой за слоем. Для вырезания каждого слоя используется либо лазерный луч, либо специальный нож. 

Ламинирование позволяет использовать различные материалы. В их числе пленки из бумаги, пластика, композитов и др. При этом характеристики готовых объектов определяются материалами, из которых они изготовлены. Например, бумажные модели будут обладать свойствами, близкими к свойствам древесины. 

Еще одна технология, появившаяся во второй половине 1980-х годов, – послойное уплотнение (SGC). Она была разработана израильской компанией Cubital и на первый взгляд может показаться похожей на стереолитографию. Сначала специальная стеклянная пластина избирательно заряжается, что формирует шаблон печатаемого слоя. После этого она помещается над слоем жидкого фотополимера, который сквозь пластину облучается ультрафиолетом. В результате полимер застывает в нужных участках, а оставшийся в жидком состоянии легко удалить. 

Несомненным плюсом технологии является возможность контролировать процесс на всех этапах и исправлять дефекты сразу же после их появления. Тем не менее для послойного уплотнения используются дорогие материалы, которые к тому же токсичны. Кроме того, принтеры требуют постоянного внимания операторов. Да и само оборудование стоит не меньше полумиллиона долларов в самом простом исполнении. 

Первые струйные технологии объемной печати начали появляться примерно тогда же, когда и лазерные. В 1988-м году Скотт Крамп запатентовал идею послойной заливки экструдируемым расплавом (FDM) для создания объемных моделей. 

Одним из главных элементов принтера является печатающая головка. В ней находится расплав из материала. Это может быть пластик, литейный воск, металл или еще что-то. Расплав поступает в рабочую камеру и выходит из головки в виде нити или капель, прямо как из сопел обычного домашнего струйного принтера выходят капли чернил. Капли попадают на рабочий стол, где очень быстро застывают и формируют слой. Затем стол опускается немного ниже, и процедура повторяется еще раз. 

Крамп совместно со своей компанией Stratasys начал выпуск принтеров 3D Dimension в 1991-м году. С тех пор сменилось не одно поколение моделей устройств этой марки. Главным преимуществом данной технологии является возможность создавать модели большого размера, которые полностью готовы к использованию. 

Еще один струйный метод, который похож на лазерную стереолитографию, – полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы. При этом для получения каждого слоя жидкий фотополимер каплями наносится на основу, после чего слой облучается ультрафиолетовой лампой для застывания полимера. 

Такой подход позволяет получать модели высокого разрешения, которые куда прочнее сделанных лазерной литографией. Да и цена струйных принтеров, работающих с использованием этой технологии, как правило, куда ниже, чем у громоздких стереолитографических агрегатов. 

В Массачусетском технологическом институте разработали еще одну интересную технологию струйной объемной печати. Она направлена на склеивание или спекание порошкообразного материала, а в печатающей головке при этом находится не сам материал, а связующее. Технология во многом похожа на лазерное спекание порошка, только здесь вместо фотополимера используется балластный наполнитель вроде целлюлозы, гипса или полистирола, а головка печатает клеем. 

В случае со спеканием материала используются металлический порошок и специальное связующее. После печати полуфабрикат обжигается в печи, что вызывает сплавление частиц металла, и изделие приобретает законченный вид. 

Ключевая особенность технологии – белый порошок может быть покрашен цветным связующим. При этом качество печати и покраски получается отменное – модели можно отправлять на выставку. Гипсовые модели можно сразу использовать как формы для металлического литья. 

Особняком стоят технологии объемной печати для медицинских целей – биопринтеры. Если еще несколько лет назад Вы бы посчитали подобные идеи слишком смелыми, то сейчас с помощью принтера можно напечатать даже целый орган человеческого тела. 

Смелая идея печатать живые органы пришла в головы ученым из Института регенеративной медицины при Университете Уэйк Форест. В качестве чернил они решили использовать живые клетки, способные формировать любые ткани организма – стволовые клетки. Впервые готовое решение ученые показали в сентябре 2011-го года. 

Показанный принтер произвел фурор. Он способен печатать различные ткани человеческого организма: кожу, хрящи и многое другое, даже целые органы. Перед созданием нового органа специальные приборы сканируют нужный орган с различных ракурсов, создают трехмерную модель высокого разрешения. Всего несколько часов, и новый орган, являющийся точной копией отсканированного, готов. 

Применение 

На первый взгляд 3D-принтеры являются чем-то революционным, способным заменить все существующие способы производства. Теоретически так оно и есть, технологии объемной печати позволяют воссоздавать практически любые предметы с нужными нам функциями без применения сложного производственного оборудования. 

Совсем недавно миру стал известен вдохновляющий пример. 25-летний анархист, студент юридического факультета Техасского университета Коди Уилсон смог напечатать пистолет. Разработанный им Liberator почти целиком сделан из пластиковых деталей, напечатанных на принтере Stratasys. Лишь боек в нем сделан из обычного гвоздя из хозяйственного магазина. Пистолет использует обычные пистолетные патроны калибра .38. 

Но все ли так радужно на практике? Ведь случай Уилсона нельзя считать доказательством всесильности данной технологии. Он лишь показал, что с помощью принтера можно сделать многое, а целесообразно ли печатать – другой вопрос. Пока что 3D-печать остается слишком дорогой. Дело тут не только в дорогостоящем оборудовании. Применяемые технологии пока еще довольно сырые, а расходные материалы зачастую очень дороги и не всегда доступны.

Наиболее перспективная область использования 3D-принтеров – быстрое прототипирование. В условиях жесткой конкуренции и очень сжатых сроков разработки раннее создание качественных прототипов может помочь оказаться на шаг впереди конкурентов. С появлением бюджетных потребительских моделей объемная печать стала все чаще использоваться дизайн-мастерскими, конструкторскими бюро и другими организациями, занимающимися разработками. 

Еще одна перспективная область – формы для литейного производства. Сегодня изготовление форм традиционными методами – дорогостоящая и кропотливая процедура. Объемная печать позволяет ускорить и удешевить этот процесс. 

Использование материалов со свойствами проводников, диэлектриков и полупроводников позволяет печатать электронные приборы. При этом отпадает необходимость в сборке, так как корпус печатается вместе с электрическими компонентами в одном цикле. 

Как видим, горизонты у 3D- печати широки уже сейчас. То ли еще будет.