3D-принтеры умеют печатать как небольшие макеты и товары мелкосерийного производства, так и полноценные детали для автомобилей. В качестве материалов используют пластик, керамику, металл и даже живые клетки. Рассказываем, с чего начиналось развитие технологии и в каких сферах она успешно применяется.
Как работает 3D-печать
Для объемной печати нужна цифровая модель, которая может иметь любую форму. Ее создают в графических программах — CAD-редакторах или с помощью сканирования. 3D-сканер оцифровывает физический объект и передает точные параметры на компьютер. Также готовую модель легко приобрести на специальных торговых площадках: Shapeways, Thingiverse или Threeding.
3D-принтер состоит из:
- рабочего стола, на котором происходит создание детали;
- направляющих, по которым с помощью шаговых двигателей перемещается печатающая головка;
- корпуса;
- электроники, которая запускает процессы.
Расходные материалы бывают различных типов и свойств. Чаще всего используют пластик, который нитями намотан на катушку.
Принтер считывает файл, который содержит данные объекта, и дает команды печатающей головке. При прохождении через нее нить плавится, а затем выдавливается через тонкое сопло. Головка принтера передвигается и вырисовывает первый слой, затем поднимается выше и добавляет новый. Послойную печать (FDM) также называют аддитивной.
Как развивалась технология
Первым идею объемной печати описал Хидео Кодама в 1981 году. Тогда она называлась быстрым прототипированием. Однако патент он так и не получил.
Официально изобретателем 3D-печати считается американский инженер Чарльз Халл. Его принтер работал по технологии стереолитографии (SLA). Станок наносил фотополимеризирующийся материал на подвижную платформу по заданной цифровой модели. Первым напечатанным объектом стала небольшая чашка.
В 1986 году Халл создал компанию «3D Systems». Выпущенный принтер заинтересовал автомобильные компании, которые позже печатали на нем дверные ручки.
Карл Декард разработал другой способ — селективное лазерное спекание (SLS), для которого использовались сыпучие вещества. В 1988 году он запатентовал изобретение и открыл компанию «Desk Top Manufacturing».
Годом позже был предложен метод послойной печати (FDM). Инженер Скотт Крамп запустил производство принтеров «Stratasys». Сейчас это самая распространенная технология.
В 1990-х исследователи Сандийских национальных лабораторий опробовали прямое лазерное выращивание (LMD). Для этой печати нужен порошок из металла или проволочная нить. Метод успешно применяют для создания масштабных деталей. Например, станок «ИЛИСТ-2XL» от «Росатома» способен производить изделия метром в высоту и с диаметром около двух.
Биоинженер Томас Боланд в 2003 году в качестве материала для печати использовал жидкость с живыми клетками. В 2009 году в Сан-Диего был выпущен коммерческий 3D-биопринтер «Novogen MMX».
Где 3D-печать применяется сейчас
Автомобилестроение
3D-принтер ускоряет разработку новых автомобилей благодаря печати моделей для прототипирования. Также станки используют для мелкосерийного производства деталей: ресиверов, диффузоров, заслонок, клапанов, ручек.
В 2010 компания «KOR EcoLogic» с помощью 3D-принтера создала кузов автомобиля Urbee. Машина оборудована гибридным электро-бензиновым двигателем, благодаря которому расход составляет не более 1,2 л топлива на 100 км.
Архитектура
Макеты будущих зданий помогают визуализировать проекты. Также принтеры применяют для печати крупных деталей, из которых собирают дома.
Шанхайская компания «Winsun» построила два здания с помощью 3D-печати из переработанного бетона. При этом площадь одного многоквартирного дома — 1100 м2.
Искусство
3D-печать позволяет передавать фотографическую точность в скульптурах или исследовать новые формы и функциональность. Предметы декора или экспонаты для выставок — современные творцы используют технологию для экспериментов.
Российский художник Дмитрий Каварги применил 3D-принтер для создания биоморфных скульптур, которые имитируют природные объекты. В качестве материала для печати он выбрал биоразлагаемый пластик.
Космос
В 2014 году НАСА отправило на МКС 3D-принтер для производства инструментов и научного оборудования. 3D-модели были помещены в память устройства либо передавались с Земли.
Сейчас НАСА внедряет аддитивную технологию для ракетных двигателей. Технология Blown Powder Directed Energy Deposition основана на впрыскивании металлической пудры в расплавленный металлический бассейн с использованием лазерного излучения. Этот метод сокращает сроки и затраты на производство сложных деталей.
Медицина
3D-печать находит применение в производстве имплантов и протезов, индивидуальных ортопедических и стоматологических изделий. В модель переводят рентгеновские, МРТ- или КТ-снимки.
Также 3D-прототипы нужны для подготовки к серьезным хирургическим операциям. Осязаемая модель органа помогает тренироваться интернам и снижать вероятность ошибок у опытных докторов.
Для воспроизводства живой ткани нужны биопринтеры. Они через шприц-дозатор наносят слоями клетки. Помимо альтернативы донорским материалам, такие конструкции полезны для медицинских исследований.
Мода
Дизайнеры используют объемную печать для отдельных частей одежды или обуви. Компания «Adidas» в 2015 году выпустила линейку кроссовок «Futurecraft 3D» с подошвой, которая была напечатана на 3D-принтере из смеси полимерной смолы с добавлением полиуретана.
Промышленность
Мебель, посуда, бытовая техника и электроника — точная 3D-визуализация позволяет создавать усовершенствованные объекты. Развивается печать металлических деталей, что помогает производить части серьезного оборудования. 3D-принтеры экономят средства и время на изготовление, они более экологичны, чем традиционные станки. Также становятся доступны формы, которые были невозможны для обычных машин.
