3D-принтеры: как это работает

... часто приписывают авторам телесериала «Звездный путь» – в оригинальных сериях 1966 года было показано устройство для «печати» готовых блюд под названием Food Synthesizer. В обновленном телесериале 1987 года «Звездный путь: Следующее поколение» телевизионщики переименовали чудо-машину в Replicator и наделили куда более широкими, чем простая кулинария, возможностями.



На самом же деле прародителями 3D-принтеров принято считать токарные и фрезерные станки с хотя бы простейшими элементами автоматизации, которые позволяли изготавливать из дерева или металла детали любой, даже самой замысловатой формы. Но одно дело громоздкое и энергоемкое промышленное оборудование, а совсем другое - компактный 3D-принтер для дома или небольшого офиса.

А начинается 3D-печать с подготовки чертежа (3D-модели), который можно загрузить из интернета (чаще всего в формате STL), нарисовать самому в САПР-приложении или создать с помощью 3D-сканера, оцифровав практически любой реально существующий объект. Тандем из принтера и сканера с приставкой «3D» в названии вообще представляет собой самую что ни на есть настоящую машину для клонирования.



Технологии 3D-печати

По аналогии с устройствами для традиционной печати, существующие на данный момент 3D-принтеры можно разделить на две категории – лазерные и струйные. В свою очередь, лазерная 3D-печать может осуществляться по одной из трех технологий:


- засвечивание – ультрафиолетовый лазер или лампа засвечивает жидкий фотополимер, в результате чего он затвердевает и обретает нужную форму. Перед использованием созданной таким способом детали ее необходимо промыть, чтобы избавиться от остатков жидкости;

- плавление – измельченный легкоплавкий пластик поддается воздействию лазерного луча для выплавки детали нужной формы, после чего лишний порошок просто стряхивается;

- ламинирование – данная технология по своей сути напоминает процесс приготовления вафель. Слои рабочего материала накладываются друг на друга, постепенно формируя объемную деталь, при этом каждый вырезанный лазером слой имеет уникальную форму.

Технологий же струйной 3D-печати существует две:

- лепка – при помощи печатающей головки осуществляется дозирование разогретого термопластика, капли которого на воздухе склеиваются между собой и мгновенно застывают;

- склеивание – в качестве рабочего материала, как и в случае технологии лазерного плавления, выступает порошкообразный пластик. Вот только при струйной печати отдельные крупицы объединяются между собой с помощью клея, подающегося через печатающую головку. При этом в клей зачастую подмешивают краситель, что позволяет печатать детали разных цветов.



Классификация 3D-принтеров

С учетом возможностей, целевой аудитории и, соответственно, цены все современные модели 3D-принтеров можно разделить на три группы: потребительские, профессиональные и промышленные.


Стоимость потребительских 3D-принтеров по состоянию на конец прошлого года стартовала с отметки $300: большинство моделей данной ценовой категории представляли собой производные от свободного проекта RepRap 2.0 Mendel.



Печать сложных по форме деталей с помощью потребительских 3D-принтеров занимает уйму времени, да и используемый в качестве их основы пластик не отличается особой прочностью. Но со своей непосредственной задачей – созданием поштучных безделушек в качестве хобби – они отлично справляются.



В начале 2013 года на краудфандинговом сайте Kickstarter (kickstarter.com) начался сбор средств сразу для нескольких перспективных проектов по созданию еще более доступных потребительских 3D-принтеров. Похоже, на рынке домашней 3D-печати состоится очередной обвал цен.



Куда более широкие возможности по сравнению с потребительскими предлагают профессиональные 3D-принтеры, цены на которые начинаются с $30 тыс. Такое оборудование достаточно громоздкое (размером со шкаф), энергоемкое и шумное, поэтому устанавливать его дома вряд ли хоть кто-то решится. К тому же, для обслуживания профессиональных 3D-принтеров требуется специально обученный человек – оператор. Но «агрегат» быстро окупит затраты на свою покупку и обслуживание, ведь способен печатать детали из высокопрочных композитных материалов, с высочайшей точностью, да еще и по несколько штук за раз, причем необязательно одинаковых.



И наконец, мощнейшие из существующих 3D-принтеров именуются промышленными, так как способны «штамповать» большие по размеру изделия либо мелкие детали, но целыми партиями. Для такого оборудования почти нет невозможных задач: они способны работать сутки напролет, «пережевывая» любой загруженный в них рабочий материал – от податливого пластика до титановых сплавов. Стоимость у промышленных 3D-принтеров, понятное дело, рекордно высокая – от $300 тыс. за просто «скорострельные» модели до $1 млн. за «всеядных монстров».



Будущее 3D-принтеров

Если не для всех, то уж точно для многих отраслей науки, экономики и быта 3D-принтеры могут стать именно той «волшебной палочкой», которой уже много лет не хватало для серьезного технологического прорыва. Сложно даже выделить одно-два ключевых направления использования 3D-печати, но мы все же попробуем.

Медицина – одна из самых бурно развивающихся наук, но человеческих знаний в данной области до сих пор недостаточно, чтобы раз и навсегда позабыть о прискорбном словосочетании «неизлечимая болезнь». 3D-принтеры уже полным ходом применяются для создания зубных протезов, по форме близких к идеалу, так почему медикам других профессий не перенять имеющиеся у стоматологов наработки?

Вторая по значимости сфера применения 3D-принтеров – космические исследования. Не так давно было принято решение установить 3D-принтер на Международной космической станции. Такой подход позволил космонавтам, пребывающим на МКС, оперативно получать необходимые для их экспериментов детали, а не дожидаться неделями прибытия челнока с Земли, как это было раньше.


Дальше – больше: самовоспроизводящиеся 3D-принтеры, как то RepRap, в будущем позволят стахановскими темпами возводить города на Луне и Марсе. Фантастика? Может, и так, но ведь показанный в телесериале ««Звездный путь» 3D-принтер в 1966 году тоже казался нереальным и даже абсурдным.