3D-печать: прошлое, настоящее и немного о будущем,

а также российские реалии в этой сфере



История установок для печати объемных образцов насчитывает уже почти три десятилетия, но долгое время они оставались экзотическими устройствами с запредельной ценой и очень ограниченной сферой применения. Однако в последние годы интерес к ним стал возрастать в геометрической прогрессии, причем не только у энтузиастов или узких специалистов: компании, занимающиеся производством и проектированием самой различной продукции, активно используют 3D-принтеры, а правительства наиболее развитых стран делают или планируют в ближайшее время сделать инвестиции в создание центров развития технологий 3D-печати, способных сократить издержки производства сложной технической продукции. И не только: понимая, что в обозримом будущем потребуется немало специалистов в этой области, разрабатываются или уже внедряются планы обучения основам 3D-моделирования и печати в образовательных учреждениях с финансированием из госбюджета.

Новости из мира 3D-печати сегодня встречаются во всех новостных лентах, количество посвященных этому вопросу сайтов даже в рунете с трудом поддается исчислению; информации очень много, поэтому для начала сделаем краткий экскурс как в сами технологии печати, так и в их историю, настоящее и ближайшее будущее.

Основные технологии: краткий обзор

Начнем с технологических основ. Во многих привычных способах обработки материалов, особенно тех, которые используются на этапе моделирования и создания прототипов, чаще всего используется принцип «взять заготовку и удалить всё лишнее», при котором образуется большое количество отходов. В этом плане 3D-печать отличается радикально: процесс начинается с нуля и постепенно, последовательным добавлением слоев (т.е. аддитивно), «выращивается» будущее изделие. Отходов при этом может вообще не быть, хотя у некоторых из имеющихся технологий без них тоже не обходится, но в относительно небольших количествах.

Есть и еще один момент: в отличие от работы на привычных устройствах обработки (фрезерных, токарных и других станках), 3D-печать не требует глубоких познаний в области материаловедения и большого опыта в обработке материалов. Конечно, здесь тоже не обходится без тонкостей и хитростей, но научиться печатать образцы по готовым моделям на 3D-принтерах можно гораздо быстрее.

В настоящее время количество технологий объемной печати превысило десяток, даже если не считать схожие методы, которые в силу патентных ограничений имеют разные названия. Все они могут быть сведены к нескольким основным методикам.

Две из них напоминают привычную струйную 2D-печать:

  • Экструзия: материал расплавляется и в жидком виде выдавливается через сопло (одно или несколько) малого диаметра; слои слипаются друг с другом и при охлаждении застывают, приобретая прочность.
  • Фотополимеризация: примерно то же, что и экструзия, но жидкий фотополимер застывает под воздействием ультрафиолетового облучения.

Есть и подобия лазерных принтеров:

  • Лазерное спекание: материал в виде порошка или гранул наносится тонким равномерным слоем и затем спекается с помощью лазера, потом наносится и спекается следующий слой и т.д. Точно так же, как у лазерных принтеров есть «двоюродные братья» — светодиодные принтеры, у этой технологии есть вариант, когда спекание производится не лазерным, а электронным лучом.
  • Лазерная стереолитография: на поверхности жидкого фотополимера засвеченные лазером микроучастки застывают и попиксельно образуют очередной слой будущего объекта; затем происходит погружение готового слоя и формирование следующего.

Но большому количеству методов аналоги из мира 2D-печати подобрать трудно:

  • Ламинирование: слои из тонких пленок, каждый из которых вырезается в форме сечения будущей детали, последовательно соединяются нагревом или давлением.
  • Склеивание: из основы в виде порошка или гранул слои формируются с помощью жидкого клея, подаваемого из сопла.

3D-принтеры

И уж совсем фантастическими кажутся реально существующие в настоящее время биопринтеры, с помощью которых выращивают некоторые органы для последующей пересадки в организм человека. Естественно, будущий объект формируется из биологических материалов — например, стволовых клеток.

Курьезом на этом фоне выглядит 3D-принтер, печатающий… быстрозастывающим бетоном. И это не шутка, а реально существующая технология Contour Crafting, которая позволяет за сутки возводить двухэтажный дом площадью более 200 квадратных метров.


Краткий курс истории ВКП(б) 3D-печати

Исторически первой была технология стереолитографии SLA (Stereolithography), разработанная в 1984-м и запатентованная в 1986-м году Чарльзом Халлом (Charles W. Hull). В том же 1986 году было разработано первое коммерческое устройство объемной печати (термина «3D-печать» тогда еще не придумали и пользовались словом «прототипирование») и основана компания 3D Systems, ставшая в настоящее время одним из ведущих производителей 3D-принтеров и материалов к ним.

Примерно в тоже время, в 1985 году, Михаилом Фейгеном (Michael Feygin) была предложена технология ламинирования LOM (Laminated Object Manufacturing), а в 1986 году Карл Декард и Джо Биман (Carl Decard, Joe Beaman) разработали метод селективного лазерного спекания SLS (Selective Laser Sintering).

В 1988-м Скотт Крамп (S. Scott Crump) изобрел технологию послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling), ставшую сейчас самой распространенной из-за относительной дешевизны как самих принтеров, так и расходных материалов. В следующем году он основал компанию Stratasys, а в 1991-м эта компания выпустила первый FDM-принтер.

Китай уже тогда не мог остаться в стороне от столь заманчивого процесса, и в конце 80-х в этой стране предложили свою технологию, очень похожую на FDM, но в силу патентных ограничений названную MEM (Melted and Extruded Manufacturing).

Термин «3D-печать» был придуман студентами Массачусетского технологического института гораздо позже, в 1995 году. Краткое и емкое название прижилось, но у него всё же есть один недостаток: на его основе несведущие люди порой полагают, что печатать на 3D-принтере столь же просто, как и на обычном — включил аппарат, отправил на него файл из какого-то приложения и быстренько напечатал желаемый результат. Однако все технологии имеют свои тонкости, без знания которых хороший образец не получишь, да к тому же самая маленькая фигурка печатается дольше, чем документ в сотню страниц на бумаге.

2000 год: представлена технология PolyJet.

Первый принтер с достаточно высоким качеством цветной 3D-печати был выпущен еще через 5 лет, в 2005 году.

Дальше процесс развития новых технологий и совершенствования имеющихся пошел с ускорением.

2008 год: первый принтер, работающий по технологии 3DP. Тогда же в рамках проекта RepRap появился принтер, способный воспроизвести сам себя (не полностью, конечно, а примерно наполовину).

2010 год: печать искусственных кровеносных сосудов.

В этом же году появились принтеры, получившие название «Рог изобилия» (Cornucopia) и способные создать готовое блюдо из пищевых продуктов. А в следующем году принтеры научили печатать шоколадом.

В 2012 году появился первый принтер для домашнего использования, основанный на технологии FDM.

2013 год и вовсе стал очень плодотворным:

  • в Microsoft Windows 8.1 появилось приложение для 3D-печати, получившее название 3D Builder; правда, это скорее маркетинговый ход, «еще один довод» в пользу данной ОС, поскольку приложение годится разве что для первоначального знакомства с объемной печатью;
  • началось создание по 3D-технологиям индивидуальных протезов для имплантации взамен поврежденных костных тканей;
  • канадский инженер Рилан Грейсон (Rylan Grayson) разработал новую технологию, при которой светочувствительный резиноподобный материал затвердевает под воздействием лазера; ожидается, что коммерческая версия такого принтера Peachy Printer будет иметь цену около $100; причем этот принтер очень легко может быть превращен в 3D-сканер — вот вам и первое 3D-МФУ;
  • подготовлен к выпуску первый принтер для производства пиццы.

Конечно, и главные игроки на рынке обычных принтеров не могли пройти мимо столь перспективного рынка 3D-печати: компания Hewlett-Packard планирует присоединиться к нему в середине 2014 года и, по заявлению ее главы Мег Уитмен (Margaret «Meg» Whitman), HP желает возглавить этот бизнес.

Epson также не обошел вниманием происходящее в данной сфере, однако не имеет намерения заниматься несовершенными потребительскими моделями, а собирается сосредоточиться на промышленных принтерах для крупносерийного производства.

Год 2014-й только начался, но уже происходят подвижки: еще один крупный производитель ПО, компания Adobe, выпустила обновление для Photoshop CC, позволяющее редактировать и распечатывать 3D-объекты. А Microsoft включила в Windows 8.1 драйвер для популярного принтера UP! 3D. Ведущие производители 3D-принтеров также или уже имеют, или готовят драйверы для своих моделей под эту операционную систему.

На выставке SolidWorks World 2014 был представлен первый в мире 3D-принтер, сочетающий возможность печати несколькими цветами и материалами. Для получения нужного цвета используется комбинация тех же трех основных цветов, что и в обычных принтерах. Таким образом, можно будет получать сложные модели без дополнительной сборки или окраски, вот только цена такого принтера, около 330 тысяч долларов, вряд ли сделает его применение повсеместным.

Уже подготовлен к коммерческой реализации первый ручной принтер 3Doodler, по форме напоминающий толстенький и длинный маркер. Используется принцип технологии FDM, а перемещение сопла в пространстве производится рукой. Конечно, это скорее игрушка, чем серьезное устройство, однако при наличии твердой руки и с его помощью можно сделать кое-что интересное. Продажи планируется начать в марте, и особенно интересна предполагаемая цена — по разным источникам, от $75 до $99.

NASA в августе 2014 года планирует отправить 3D-принтер на МКС.

Список происходящего можно продолжать бесконечно, мы лишь воспроизвели основные этапы недавнего прошлого и привели наиболее характерные примеры из настоящего и ближайшего будущего.


3D-принтеры

Свежие «вести с полей»

Только что в Москве прошла первая выставка передовых технологий 3D-печати и сканирования 3D Print Expo (13–14 февраля 2014 г.). Ее участниками стали производители как самих принтеров — от персональных до промышленных, так и расходных материалов, аксессуаров и принадлежностей к ним. Были представлены 3D-сканеры, а также программное обеспечение, без которого всё это оборудование останется лишь бесполезным железом.

В рамках выставки проводилась и конференция с докладами по 3D-моделированию, печати, сканированию, их использованию в производственных процессах. Затрагивались экономические аспекты использования 3D-печати, в том числе в розничном бизнесе, вопросы подготовки специалистов, включая использование этих технологий в общеобразовательных учреждениях и в среднем профессиональном обучении (отметим: в числе участников выставки были представители кафедры одного из московских колледжей, где уже развернута соответствующая программа). Рассматривались вопросы авторского права, проводились мастер-классы для новичков, специалистов и предпринимателей.


Образцы 3D-печати

Немало интересного было и в экспозиции. Конечно, особое внимание многих посетителей вызывали наиболее доступные по цене принтеры и расходные материалы к ним.

В частности, был представлен 3Doodler, который мы упоминали выше; хотя продажи начнутся в апреле, уже известна цена для российских покупателей — 3.990 рублей, и можно сделать предварительный заказ. Сотрудники стенда и посетители усердно пытались с помощью этого ручного устройства соорудить некие объемные фигуры, получалось откровенно плохо. Однако на экране крутился ролик, на котором руками опытного Doodler-ваятеля из тонких нитей создавался в воздухе вполне узнаваемый разноцветный попугай-ара, и не крошечный, а почти в натуральную величину, т.е. дело, как часто бывает, вовсе не в ограниченных возможностях инструмента.

В большом количестве были представлены настольные принтеры персонального класса. Конечно, прежде всего от уже известных производителей, но, что особенно отрадно, были и модели, разработанные нашими соотечественниками, причем не прототипы, а товарные образцы, которые уже можно купить. С одним из таких принтеров мы познакомим читателей в ближайшем будущем.

Очень много было представлено продуктов ведущего производителя — компании 3D Systems, которая была одним из спонсоров выставки. В спектре ее продукции принтеры самого разного уровня, многие из которых можно было увидеть вживую: от персональных «малышей» популярной серии Cube, работу с которыми можно доверить даже детям, поскольку потенциально опасные узлы закрыты, до профессиональных серий ProJet и ZPrinter, среди которых есть полноцветные принтеры, способные передавать до 390.000 цветов.


Образцы 3D-печати

Еще одно направление, представленное на выставке — объемное сканирование. Сканеры также были представлены в широком ассортименте: ручные, настольные персонального уровня, а также профессиональные, портативные и стационарные.

Предлагалась и продукция, без которой ни один принтер работать не сможет: расходные материалы, прежде всего пластики. В основном предлагался материал ABS, зато в широкой гамме расцветок и в разной расфасовке, причем посетители могли купить его по специальным ценам. Вновь с удовлетворением отметим: помимо китайских, на выставке были и отечественные производители, которые уже готовы представить российским потребителям качественную продукцию в ассортименте, включая сопла различных диаметров, экструдеры и нагревательные блоки.

Большой популярностью пользовались и смежные услуги: всем желающим (правда, небезвозмездно, а за довольно приличную сумму) предлагалось встать «под светлы очи» 3D-сканера и постараться 5–10 минут сохранять неподвижность; особо мнительных уверяли в абсолютной безвредности и безболезненности данной процедуры. После чего гарантировались изготовление и доставка полноцветной фигурки-копии высотой от 11 до 23 см, в зависимости от оплаты. Надо сказать, что выставленные в качестве образцов фигурки людей были вполне впечатляющими и вовсе не напоминали абстрактных кукол; жаль только, что рядом не было «оригиналов» для сравнения. Конечно, данный сервис не ограничен рамками выставки: услуги предоставляются постоянно и всем желающим, в студии и на выезде, ведь это один из вариантов бизнеса, связанного с 3D-печатью.

Другой похожий сервис — создание копий людей по высылаемым ими фотографиям. Результатом будет либо фигурка на подставке, либо красочный объемный барельеф.

Предлагались услуги российских «3D-типографий»: на выставке были представители фирм, готовых не только с помощью разных технологий и из разных материалов напечатать образцы по электронным 3D-моделям, предоставленным заказчиком, но и помочь в создании самих моделей. В спектре их услуг есть и финишная обработка: шлифовка, нанесение красок, лаков и воска. Таким образом, для воплощения любых идей как частным лицам, так и предпринимателям вовсе не обязательно покупать дорогой профессиональный принтер и осваивать программы трехмерного моделирования.

Сладкоежек притягивал стенд шоколадной печати, а точнее — целый фестиваль шоколада. В его рамках были заявлены принтер британской компании, позволяющий создавать собственные плоские и объемные миниатюры из шоколада, а также первый «шоколадный» принтер российской сборки; правда, нам удалось увидеть только процесс создания плоских фигур. Участие приняли производители и поставщики шоколада, как в качестве расходных материалов для таких принтеров, так и в виде обычных плиток из марочного бельгийского шоколада с разным содержанием какао-бобов и с разнообразными начинками, причем ручной работы и по уникальным рецептурам. Не обошлось и без специальных предложений: можно было купить и плитки, и фигурки (порой внушительного размера) из белого и темного шоколада.

Как водится, первый блин получился немножко комом: видимо, организаторы не сумели спрогнозировать степень заинтересованности и потенциальное количество посетителей, поэтому конференц-зал зачастую напоминал бочку с селедкой — не только все сидячие места были заняты, но даже по краям рядами выстраивались слушатели. Да и в зале с экспозицией было не протолкнуться, причем настолько, что мы даже не смогли в достаточном количестве сделать фотографии, пригодные для использования в данной публикации, и много интересного осталось «за кадром».

Надеемся, что выставка станет регулярной, и в последующие годы ее масштаб будет лучше соответствовать интересу к 3D-печати и профессионалов, и предпринимателей, и частных энтузиастов.





Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.