5 фактов о 3D печати
1. На 3D принтере можно напечатать настоящий автомобиль. В фильме Skyfall про Джеймса Бонда некоторые сцены с погонями и авариями сняты с участием напечатанной на принтере машины Aston Martin DB5 в масштабе 1:3.
Для создания этой модели была привлечена немецкая компания Voxeljet, которая предоставила для съёмок 3 копии шпионского авто. Одна из них даже сохранилась и была впоследствии продана на аукционе за 100 000 фунтов стерлингов.
2. Звёзды кино щеголяют в нарядах, напечатанных на 3D принтере. Дизайнер Майкл Шмидт и архитектор Фрэнсис Битонти создали с помощью принтера самое настоящее платье для фотомодели Диты фон Тиз, в котором она щеголяла на мероприятии в нью-йоркском Ace Hotel.
3. Через несколько лет на 3D принтере можно будет распечатать человека целиком. На данный момент не проблема распечатать отдельные органы, кожу и кости. Успешное создание различных протезов, начиная от человеческого уха и заканчивая внутренними органами, позволяет надеятся, что первого распечатанного человека мы увидим своими глазами в этом веке.
4. На 3D принтере можно распечатывать не только пластиковые модели. В зависимости от исходного материала, изделия могут быть керамическими, деревянными, титановыми, резиновыми или золотыми – всё зависит от твоей фантазии и модели принтера.
5. 3D печать существует с 1980-х годов. В те годы Чаком Хиллом была изобретена технология стереолитографии. В ней применялись ультрафиолетовые лазеры для фиксации фотополимера, слой за слоем для создания законченной трёхмерной физической модели.
RepRap versus коммерция
RepRap не просто так называют предком большинства существующих FDM-принтеров, которые находятся в свободной продаже. Мы уже описали основные лейтмотивы этой, без преувеличения, семьи энтузиастов. За несколько лет было создано четыре поколения 3D-принтеров. Но до сих пор у сообщества нет централизованного канала продажи деталей.
Парадокс заключается в том, что RepRap практически вырастило несколько коммерческих предприятий, которые начали дистанцироваться от сообщества. Эти компании получают весьма большую долю обструкции среди энтузиастов, но, как известно, собака лает, а караван идет.
Одной из первых «отделившихся» является компания Makerbot Industries, специализирующаяся на домашних FDM-принтерах. За счет инвестиций извне (так, основатель Amazon Джефф Безос вложил в проект порядка 10 млн долларов США) фирме удалось хорошо раскрутиться. Компания выпустила четвертое поколение модели Replicator и не стала выкладывать чертежи в открытый доступ.
Ситуация между RepRap и Makerbot Industries, несомненно, имеет две стороны медали. Если бы глава компании Бре Петис (в прошлом активный деятель сообщества, между прочим) не дистанцировался от энтузиастов и не начал продавать свои решения, то, возможно, 3D-печать и не получила бы такую популярность, которую она имеет сейчас.
Строительство
Правда, здания можно печатать уже сейчас. Строительных 3D-принтеров пока не много, но они уже демонстрируют интересные результаты. Суть процесса, как правило, сводится к послойной печати стен из специально сформулированной цементной смеси. Рецепт смеси очень важен, так как она должна достаточно быстро застывать, чтобы ее не раздавило следующими слоями. С другой стороны, слишком быстрое высыхание не позволит слоям схватываться друг с другом. Получаемые полые стенки служат своего рода несъемной опалубкой, в которую можно вставить утеплители, арматуру, провести коммуникации, а для пущей прочности залить оставшиеся полости бетоном и получить монолитную структуру. Преимущество такой технологии над привычной опалубкой заключается в возможности создавать всевозможные доселе немыслимые формы – округлые, спиральные и пр.
Хотели бы себе дом, напечатанный на 3D-принтере?
Прекрасным примером стали работы Андрея Руденко, напечатавшего миниатюрный замок на иллюстрации. Недавно Андрей взялся за совершенно серьезный проект, напечатав пристройку к гостиничному комплексу на Филиппинах. А сноровистые китайцы из компании WinSun уже успели напечатать пятиэтажное здание, хотя осуществили этот проект по частям, собирая напечатанные панели на месте строительства.
Немного из истории 3D принтеров
Несмотря на то, что технология трехмерной печати находится у всех на слуху только последние несколько лет, ее появление стоит искать еще в прошлом веке. Пионером в данной области стала компания Charles Hull, которая в 1984 году разработала технологию трехмерной печати, а чуть позже запатентовала технику стереолитографии, которая сегодня используется повсеместно. Тогда же компания разработала и создала первый промышленный трехмерный принтер, который фактически стал началом новой эпохи.
90-е годы стали временем появления новых разработок в сфере трехмерной печати, благодаря которым 3D принтеры нашли применение в производственных условиях и стали использоваться для прототипирования. Пик развития технологии приходится на XXI век, и мы сами становимся очевидцами того, как семимильными шагами трехмерная печать покоряет новые вершины. Сегодня печать может осуществляться разными материалами, причем не только пластиками и металлом, но и тканью, бумагой, керамикой, пищевыми продуктами и даже живыми клетками.
В 2005 году появилась возможность печатать в цвете, а в 2006 году был создан принтер, который может распечатать около половины всех собственных комплектующих. В 2014 году появились первые принтеры с областью печати, практически неограниченной в размере. С помощью этого устройства уже попытались создать полноценный дом, используя в качестве основного материала бетон. На возведение такого сооружения было потрачено не более суток. Уже в 2016 году было представлено первое здание, построенное с помощью трехмерной печати в Дубае. В феврале 2017 года Россия также представила дом, целиком напечатанный на стройплощадке. В этом году также был разработан принтер с шестью осями, с помощью которого сложные элементы будет печатать намного проще, без необходимости использовать поддерживающие конструкции. На данный момент вовсю ведутся разработки принтеров, которые смогут печатать органы человека, протезы, имплантаты, корпусы автомобилей и даже еду.
Предпосылки создания 3D-принтера
Первые попытки создания технологии трехмерной печати делали еще в 80-х годах. В то время был разработан стереолитограф, с помощью которого можно было создавать 3D-объекты из жидкого фотополимерного пластика. Технология в таком оборудовании основывается на свойствах фотополимеров – под воздействием лазера он застывает, приобретая твердую форму пластика.
Еще одним предшественником современного 3D-принтера стала технология «лазерного спекания». Основой для создания объемных моделей является порошок легкоплавкого пластика. От воздействия лазера пластик плавится, а затем спекается в единую массу. А чтобы от сильного нагрева пластик не воспламенился, в рабочую камеру закачивают инертный газ. Сложность обслуживания такого оборудования не позволяет такие принтеры использовать в домашних условиях.
Сверхдоступные
1. Printrbot Simple ($300)
Абсолютный рекорд по доступности уже несколько месяцев удерживает модель начального уровня компании Printrbot с простым названием Simple (прошу извинить за каламбур). Как и подавляющее большинство аппаратов категории «до $1 000», Simple поставляется в виде набора деталей, а сборка собственно 3D-принтера возложена на покупателя.
У Simple отсутствует нагреваемая подставка, и он работает только с биоразлагаемым пластиком PLA. Максимальные габариты создаваемого объекта также минимальны — всего 4 кубических дюйма, то есть около 10,16 см в кубе. Для подключения к компьютеру используется интерфейс USB. Помимо базовой модели, за $350 предлагается модификация 2014 Simple KIT, в комплект которой входят также алюминиевая пластина-основание и алюминиевый экструдер. Чтобы получить уже собранный и откалиброванный принтер, нужно добавить ещё $100.
Как и в подавляющем большинстве потребительских 3D-принтеров, в Printrbot Simple реализована технология печати методом послойного наплавления FFF. Она представляет собой практически полный аналог запатентованной технологии Stratasys FDM, используемой в настольных аппаратах, которые примерно в три раза дороже этой модели.
В силу простоты конструкции Printrbot Simple не обеспечивает идеального качества и точности 3D-печати и не даёт возможности создавать высококачественные прототипы. Это скорее игрушка, которая позволит вам изучить принципы работы таких аппаратов и понять, нужен ли вам вообще подобный принтер.
2. Kinpo XYZprinting da Vinci 1.0 ($500)
Принтер XYZprinting da Vinci 1.0 тайваньской компании Kinpo был представлен в декабре 2013 года и пока не поступил в широкую продажу, но уже понятно, что это будет куда более интересное устройство, чем Printrbot Simple.
В da Vinci также реализована технология печати методом послойного наплавления FFF. В качестве расходников используется пластик ABS, максимальные габариты создаваемого объекта — 7,8 куб. дюйма, или 20 см в кубе; заявленный уровень точности, в зависимости от скорости печати, — от 0,4 до 0,1 мм.
XYZprinting da Vinci 1.0 выглядит как весьма привлекательное предложение начального уровня, к тому же его «кофеварочный» дизайн уже вполне вписывается в интерьер домашнего офиса.
3. RepRap Open-Source Line ($470–620)
Это устройство уникально по сравнению вообще со всеми современными 3D-принтерами. В отличие от остальных, конструкция и программное обеспечение принтера RepRap, разработанного в Университете Бата в Великобритании, доступны на условиях открытого исходного кода и бесплатно предлагаются всем желающим. Более того, части для сборки этих принтеров можно распечатать на них самих!
В линейку входят несколько моделей, каждую из которых можно изготовить самостоятельно, при этом на сайте Mixshop продаются комплекты для сборки разных типов 3D-принтеров. В частности, набор для сборки модификации Prusa Mendel, способной печатать объекты с максимальными габаритами 19,5×19,5×14 см из пластиков ABS и PLA, обойдётся в $479.
Разумеется, RepRap — далеко не единственный проект, разрабатывающий конструкции 3D-принтеров, которые предназначены для самостоятельной сборки. К примеру, здесь можно ознакомиться с внушительным списком подобных устройств и сравнить цены.
Важно отметить, что подавляющее большинство 3D-принтеров работает под управлением своего собственного уникального программного обеспечения, в некоторых случаях бесплатного (неполный список см. здесь)
К тому же большое значение имеет правильная настройка собранного агрегата и его своевременное обслуживание, в том числе настройка по уровню плиты-основы и прочистка экструдера. Поэтому самостоятельная сборка и обеспечение работоспособности 3D-принтера может оказаться нетривиальной задачей даже для конструктивно простых моделей.
Принцип работы 3д-принтера
Как уже было замечено, на сегодняшний день в индустрии насчитывается уже несколько подвидов методов 3д-печати, а также весьма обширный набор соответствующего оборудования и конструкций.
Для того, чтобы рассмотреть принцип работы 3d-принтера обратимся к его ключевому элементу (головке экструдера) и методу объемной печати, использующей пластиковую нить.
Процесс 3д-печати:
Нить (филамент) поступает в печатающую головку (экструдер), после чего осуществляется разогрев нити до ее жидкого состояния. Далее полученная масса выдавливается через сопло экструдера. При этом шаговые двигатели с помощью зубчатых ремней приводят в движение Экструдер, который перемещается по направляющим в заданном направлении и наносит пластик на платформу слой за слоем согласно заданной модели.
Лидеры рынка 2021
Если говорить об итогах года с коммерческой точки зрения, то, как и ранее, среди производителей в штуках лидирует китайская компания Creality со своим огромным модельным рядом из почти 40 моделей «во главе» с абсолютным бестселлером – принтером Ender-3. В денежном выражении лидером рынка также остается голландский производитель Ultimaker, принтеры которого считаются эталонными по качеству печати и простоте использования. В России последние годы лидером является компания Picaso 3D, которая в прошлом году начала поставки долгожданной новинки – принтера Designer XL Pro. Этот принтер отличает большая область печати и наличие двух экструдеров. Модель сразу стала пользоваться повышенным спросом. Вторым игроком на рынке, как в мире, так и в России, стала в прошлом китайская, а ныне глобальная компания Raise3D, которая выпустила в продажу модель 3D-принтера с двумя независимыми экструдерами Raise3D E2. Система IDEX дает возможность пользователю, с одной стороны, увеличить производительность своего 3D-принтера в два раза за счет наличия двух независимых экструдеров, а, с другой стороны, воспользоваться вторым экструдером для печати растворимых поддержек при создании сложных моделей (подробнее об этой технологии можно почитать в нашем обзоре).
Среди производителей фотополимерных 3D-принтеров в штуках лидирует Phrozen, а вплотную к нему идут Elegoo и Anycubic. Такая ситуация характерна и для России, хотя место не очень известной у нас марки Elegoo занимает исторически популярный брэнд Wanhao. По финансовым показателям лидером остается американская компания FormLabs, принтеры которой работают по технологии SLA (используя лазер для засветки материала), но ее закрытая экосистема с очень дорогими материалами вызывает все больше вопросов у пользователей, тем более что, с точки зрения качества печати, конкуренты из бюджетного сегмента уже нечем не уступают ее моделям. Подробнее о разнице в технологиях можно почитать в нашем обзоре.
Какие бывают виды?
В 2021 году производители выпускают два вида 3D принтеров:
- FDM (с послойным наплавлением материала). Такие устройства в качестве рабочего материала используют тонкую пластиковую нить (ABS, PLA). Она образует горизонтальные слои пластика, которые последовательно налипают друг на друга. Готовые модели могут быть шероховатыми на ощупь.
- SLA (стереолитографические). Принтеры такого типа работают со светочувствительной смолой, которая переходит из жидкого состояния в твёрдое под воздействием света. Напечатанные изделия получаются гладкими с большим количеством мелких деталей.
Как это работает
Общий принцип работы трехмерного принтера в теории прост и понятен. В программе для 3D-моделирования создается объект или его часть (крупные модели делят на несколько элементов). Затем файл отправляется для обработки специализированной программой (для формирования G-кода), после чего в дело вступает техника. G-код делит цифровую модель на сотни горизонтальных дорожек, задавая траекторию печатающей каретке. На основание слой за слоем наносится расплавленный материал, создавая вполне осязаемый объект.
Схематическое изображение 3D-принтера
Всего существует семь основных технологий, используемых для трехмерной печати, но большая их часть нашла применение только в промышленных целях. Для любительской «пластиковой печати» и малого бизнеса разработаны относительно компактные и недорогие аппараты.
Технология Fused Deposition Modeling (иначе FDM-принтеры) получила самое массовое распространение для трехмерного моделирования и кулинарии. Материал разогревается и подается на платформу через сопло печатающей головки. Объект «вырастает» на плоскости, а его размеры ограничены параметрами платформы.
Технология Polyjet разработана в 2000 году и сегодня принадлежит компании Stratasys. Создание трехмерных объектов производится посредством полимеризации фотополимера под действием УФ излучения. Фотополимер – дорогой и хрупкий пластик, потому в быту такие принтеры практически не используют, но благодаря точной детализации моделирования аппараты применяют в медицине и промышленности (для создания прототипов).
Все о том, как работают современные принтеры для трехмерной «пластиковой печати» можно узнать из тематического видео, например, этого. Также в них часто демонстрируют, как аппарат работает с различными материалами для изготовления объекта.
Изготовление обуви
Первая пара обуви, напечатанная на 3D принтере, появилась в 2011 году благодаря стараниям шведских студентов. Сегодня трёхмерная обувь, напечатанная на принтерах, красуется на ведущих подиумах всего мира. Существенным преимуществом такой обуви является точный учёт индивидуальных особенностей её владельца, включая размер и форму стопы.
Женская обувь, напечатанная на 3D принтере
Внешний вид 3D обуви существенно отличается от традиционной, поэтому она будет пользоваться спросом среди креативных молодых людей, которые хотят подчеркнуть свою индивидуальность.
3D принтеры научились печатать не только женскую, но и мужскую обувь. Студент Лондонского колледжа моды Росс Бербер в своей дебютной коллекции представил пять пар обуви, напечатанных на принтере.
Мужская обувь, напечатанная на 3D принтере
Для изготовления 3D обуви используют полиуретан, резину и пластик. Стоимость такой обуви пока слишком высока, чтобы наладить её массовое производство.
Anet N4
Этот принтер стоит в нашем топе особняком. Причина этого в его технологии печати. Если вы слышали о том, что фотополимерные 3D принтеры – это дорогие, профессиональные модели, то вот вам Anet N4, компактное и недорогое LCD-устройство для домашней печати.
Являясь настоящим фотополимерником, этот 3D-принтер способен создавать маленькие объекты с недоступной для FDM-моделей детализацией. У него относительно невысокая скорость построения, 5-10 мм/сек, зато толщина слоя составляет всего 50 мкм. Область печати – 120х60х138 мм.
Принтер работает с широким диапазоном фотополимерных смол от любых производителей, в том числе с силиконоподобными, гибкими, устойчивыми к высоким температурам.
Конструкция «Анет Н4» является традиционной для таких устройств: присутствует съёмная ванна для смолы и рабочая платформа. Прозрачный тонированный колпак легко снимается, что облегчает настройку, очистку и извлечение готовых моделей.
Для управления предусмотрен цветной сенсорный дисплей, а данные можно загружать через USB или с SD-карты. В комплекте с принтером идёт проприетарный слайсер Alprint, который позволяет быстро и точно нарезать модель для максимально качественной печати.
Технология EBM
Нужно заметить, что методики SLS/DMLS – не единственные, способные осуществлять печать металлом. Сегодня для таких целей применяется и электронно-лучевая плавка. Как показали тесты в лаборатории, нанесение слоев металла, посредством плавки проволоки, малоэффективны, именно поэтому и был разработан особый материал – металлоглина.
Металлическая глина, выступает как бы чернилами при электронно-лучевой наплавке, она делается из совокупности клея, стружки металла и воды. Чтоб преобразовать чернило в твердое вещество, его необходимо разогреть до температуры, при которой вода и клеящая смесь испарятся, а металлическая стружка сплавится воедино.
Плюсы 3D-печати
Детали становятся легче
Это важно в авиастроении: сэкономленный вес можно использовать, например, для дополнительных пассажирских или багажных мест.
Экологичность. При создании деталей традиционным способом нужный элемент вырезают из куска металла, а остальное выбрасывают
Во время работы на 3D-принтере отходов практически нет.
Создание форм, которые невозможно воспроизвести другими способами.
Быстрая скорость создания деталей.
Стоит отметить, что на 3D-принтере вряд ли когда-нибудь будут печатать детали, которые дешево и быстро изготавливаются с помощью стандартных технологий.
В качестве итога об основных плюсах и минусах трехмерной печати
3D-печать – направление перспективное и с большим потенциалом. Чтобы расставить все точки над «i» в изучении вопроса трехмерной печати, приведем основные ее преимущества:
- скорость, универсальность и снижение трудоемкости. Один принтер может заменить небольшую производственную линию со станками, пресс-формами или формами для литья, и это только начало. Чтобы создать предмет привычными ручными способами, может понадобиться немало времени и усилий по созданию заготовок, обтачиванию, соединению деталей – принтер решает эту задачу гораздо проще и быстрее;
- свобода творчества, ведь принтер может напечатать практически любой объект, созданный в программе;
- разнообразие используемых материалов, и речь не только о пластиках и металле, но и о живых клетках и продуктах питания. Более того, трехмерная печать позволяет полноценно работать с теми материалами, которые другими способами обработать очень сложно или даже невозможно;
- простота в использовании и экономичность, низкая вероятность ошибок;
- возможность использования достижений трехмерной печати в медицине для создания искусственных тканей и органов, протезов, имплантатов.
Существующие минусы:
- построение объекта из слоев означает наличие границ-переходов, поэтому поверхность предмета будет шероховатой и матовой. Если же толщина слоя большая, то переходы между ними будут заметны невооруженным взглядом. Прочность напечатанных объектов, особенно по методу FDM, уступает прочности предметов, выточенных из цельного куска материала;
- ограничение в размерах. Напечатать объект, который будет больше рабочей поверхности, невозможно. Сейчас уже есть принтеры с неограниченной зоной печати, но это пока только разработки;
- высокая цена, но это лишь вопрос времени. Новые технологии всегда дорогие, а с развитием и популяризацией они стремительно дешевеют. К стоимости прибавить необходимо еще и цену расходных материалов;
- сокращение существующих промышленных производств и опасность печати оружия – глобальные проблемы трехмерной печати.
Трехмерная печать – это будущее медицины и промышленности, а также возможность быстрого создания прототипов и моделей, а это бесценно для инженерии. Кто знает, может, через 5-10 лет мы так же просто будем скачивать модели чашек или обуви и печатать их на собственном домашнем принтере, как сегодня скачиваем и просматриваем фильмы.
