Технология


Чарльз Халл - отец современной 3D-печати
3D-печать или «аддитивное производство» – процесс создания цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели. 3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где формирование облика изделия происходит за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»).

3D-принтерами называют станки с программным управлением, выполняющие построение детали аддитивным способом.

Хотя технология 3D-печати появилась еще в 80-х годах прошлого века, широкое коммерческое распространение 3D-принтеры получили только в начале 2010-х. Первый дееспособный 3D-принтер был создан Чарльзом Халлом, одним из основателей корпорации 3D Systems. В начале 21 века произошел значительный рост продаж, что привело к резкому падению стоимости устройств. Согласно данным консалтинговой фирмы Wohlers Associates, в 2012 году объем мирового рынка 3D-принтеров и сопутствующих сервисов достиг $2,2млрд., показав рост на 29% по сравнению с 2011 годом.

3D-печатные технологии используются для прототипирования и распределенного производства в архитектуре, строительстве, промышленном дизайне, автомобильной, аэрокосмической, военно-промышленной, инженерной и медицинской отраслях, биоинженерии (для создания искусственных тканей), производстве модной одежды и обуви, ювелирных изделий, в образовании, географических информационных системах, пищевой промышленности и многих других сферах. Согласно исследованиям, домашние 3D-принтеры с открытым исходным кодом позволят отыграть капитальные затраты на собственное приобретение за счет экономичности бытового производства предметов.

Терминология


Аддитивное производство подразумевает постройку объектов за счет добавления необходимого материала, а не удаления лишнего, как в случае с субтрактивными методами
Термин «аддитивное производство» подразумевает технологии по созданию объектов за счет нанесения последовательных слоев материала. Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (т.н. быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (т.н. быстрое производство).

В производстве, особенно машинной обработке, термин «субтрактивные» подразумевает более традиционные методы и является ретронимом, придуманным в последние годы для разграничения традиционных способов и новых аддитивных методов. Хотя традиционное производство использует по сути «аддитивные» методы на протяжении веков (такие, как склепка, сварка и привинчивание), в них отсутствует трехмерная информационная технологическая составляющая. Машинная же обработка (производство деталей точной формы), как правило, основывается на субтрактивных методах - опиловке, фрезеровании, сверлении и шлифовании.

Термин «стереолитография» был определен Чарльзом Халлом в патенте от 1984 года, как «система генерирования трехмерных объектов за счет послойного формирования».

Основные принципы

3D-печатные модели

3D-модели создаются методом ручного компьютерного графического дизайна или за счет 3D-сканирования. Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для создания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру. 3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель.

И ручное и автоматическое создание 3D-печатных моделей может вызвать трудности у среднего пользователя. В связи с этим в последние годы получили распространение 3D-печатные торговые площадки. Среди наиболее популярных примеров такие сервисы, как Shapeways, Thingiverse и Threeding.

Печать


В качестве чертежей для 3D-печатных объектов используются такие цифровые модели
Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл (как правило, в формате STL), содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений. Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.

«Разрешение» принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»). Типичная толщина слоя составляет 100мкм (250 DPI), хотя некоторые устройства вроде Objet Connex и 3D Systems ProJet способны печатать слоями толщиной от 16мкм (1 600 DPI). Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный размер частиц составляет около 50-100мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.


Один из методов получения цифровой модели - трехмерное сканирование. На иллюстрации 3D-сканер MakerBot Digitizer

Построение модели с использованием современных технологий занимает от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от используемого метода, а также размера и сложности модели. Промышленные аддитивные системы могут, как правило, сократить время до нескольких часов, но все зависит от типа установки, а также размера и количества одновременно изготавливаемых моделей.

Традиционные производственные методы вроде литья под давлением могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве, позволяя достигнуть более высокого темпа производства и гибкости дизайна, наряду с повышенной экономичностью в пересчете на единицу произведенного товара. Кроме того, настольные 3D-принтеры позволяют дизайнерам и разработчикам создавать концептуальные модели и прототипы, не выходя из офиса.

Обработка


Схема работы 3D-принтеров типа FDM

Хотя разрешение принтеров вполне достаточно для большинства проектов, печать объектов со слегка превышенными измерениями и последующей субтрактивной механической обработкой высокоточными инструментами позволяет создавать модели повышенной точности. Примерами устройств с подобным комбинированным методом изготовления и обработки служит LUMEX Avance-25.

Некоторые методы аддитивного производства предусматривают возможность использования нескольких материалов, а также разных цветов в течение одного производственного цикла. Многие из 3D-принтеров используют «поддержки» или «опоры» во время печати. Опоры необходимы для построения фрагментов модели, не соприкасающихся с нижележащими слоями или рабочей платформой. Сами опоры не являются частью заданной модели, и по завершении печати либо отламываются (в случае использования того же материала, что и для печати самой модели), либо растворяются (как правило, в воде или ацетоне – в зависимости от материала, используемого для создания опор).

Аддитивные процессы

С конца 1970-х на свет появилось несколько методов 3D-печати. Первые принтеры отличались крупными габаритами, высокой стоимостью и весьма ограниченными возможностями.


Готовая модель черепа с еще не удаленными опорами

В настоящее время доступен широкий выбор методов аддитивного производства. Основные различия заключаются в методе нанесения слоев и используемых расходных материалах. Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твердых моделей за счет полимеризации жидких материалов, известное как стереолитография (SLA). В случае с ламинированием листовых материалов (LOM), тонкие слои материала подвергаются резке до необходимого контура, с последующим соединением в единое целое. В качестве материалов для LOM могут использоваться бумага, полимеры и металлы. Каждый из перечисленных методов имеет свои преимущества и недостатки, в связи с чем некоторые компании предлагают выбор расходного материала для построения модели – полимера или порошка. Принтеры, работающие по технологии LOM, зачастую используют обычную офисную бумагу для постройки прочных прототипов. Ключевыми моментами при выборе подходящего устройства являются скорость печати, цена 3D-принтера, себестоимость печатаемых прототипов, а также стоимость и ассортимент совместимых расходных материалов.

Принтеры, изготавливающие полноценные металлические модели, имеют достаточно высокую стоимость, однако возможно использование менее дорогих устройств для производства литейных форм с последующей отливкой металлических деталей.

Основные методы аддитивного производства представлены в таблице:

МетодТехнологияИспользуемые материалы
ЭкструзионныйМоделирование методом послойного наплавления (FDM или FFF)Термопластики (такие как полилактид (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и др.)
ПроволочныйПроизводство произвольных форм электронно-лучевой плавкой (EBFȝ)Практически любые металлические сплавы
ПорошковыйПрямое лазерное спекание металлов (DMLS)Практически любые металлические сплавы
Электронно-лучевая плавка (EBM)Титановые сплавы
Выборочная лазерная плавка (SLM)Титановые сплавы, кобальт-хромовые сплавы, нержавеющая сталь, алюминий
Выборочное тепловое спекание (SHS)Порошковые термопластики
Выборочное лазерное спекание (SLS)Термопластики, металлические порошки, керамические порошки
СтруйныйСтруйная трехмерная печать(3DP)Гипс, пластики, металлические порошки, песчаные смеси
ЛаминированиеИзготовление объектов методом ламинирования (LOM)Бумага, металлическая фольга, пластиковая пленка
ПолимеризацияСтереолитография (SLA)Фотополимеры
Цифровая светодиодная проекция (DLP)Фотополимеры

Экструзионная печать

Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и получило коммерческое распространение в 1990 силами компании Stratasys, в числе основателей которой числится сам Трамп. В связи с истечением срока действия патента существует большое сообщество разработчиков 3D-принтеров с открытым исходным кодом, а также коммерческих организаций, использующих данную технологию. Как следствие, стоимость устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения технологии.


3D-принтеры варьируются от простейших самодельных устройств для печати пластиком...
Процесс печати методом послойного наплавления подразумевает создание слоев за счет экструзии быстрозастывающего материала в виде микрокапель или тонких струй. Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде катушек, с которых материал скармливается в печатную головку, называемую «экструдером». Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением (CAM), привязанным к микроконтроллеру.

В качестве расходных материалов используются всевозможные полимеры, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), поликарбонат (PC), полилактид (PLA), полиэтилен высокого давления (HDPE), смеси поликарбоната и ABS-пластика, полифениленсульфон (PPSU) и др. Как правило, полимер поставляется в форме наполнителя, изготовленного из чистого пластика. В сообществе энтузиастов 3D-печати существует несколько проектов, направленных на переработку использованного пластика в материалы для 3D-печати. Проекты основаны на выработке расходных материалов с помощью шредеров и переплавляющих устройств.

Технология FDM/FFF имеет определенные ограничения по сложности создаваемых геометрических форм. Например, создание навесных конструкций (таких, как сталактиты) невозможно само по себе, ввиду отсутствия необходимой поддержки. Это ограничение компенсируется созданием временных опорных конструкций, удаляемых по завершении печати.

Порошковая печать

Одним из методов аддитивного производства является выборочное спекание порошковых материалов. Слои модели вычерчиваются (спекаются) в тонком слое порошкообразного материала, после чего рабочая платформа опускается, и наносится новый слой порошка. Процесс повторяется до получения цельной модели. Неизрасходованный материал остается в рабочей камере и служит для поддержки нависающих слоев, не требуя создания специальных опор. Наиболее распространенными являются методы, основанные на спекании с помощью лазеров: выборочное лазерное спекание (SLS) для работы с металлами и полимерами (например, полиамидом (PA), полиамидом, армированным стекловолокном (PA-GF), стекловолокном (GF), полиэфирэфиркетоном (PEEK), полистиролом (PS), алюмидом, полиамидом, армированным углеволокном (Carbonmide), эластомерами) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS).


... до дорогих промышленных установок, работающих с металлами
Метод выборочного лазерного спекания (SLS) был разработан и запатентован Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Техасского университета в Остине в середине 1080-х под эгидой Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA). Схожий метод был запатентован Р. Ф. Хаусхолдером в 1979 году, но не получил коммерческого распространения.

Выборочная лазерная плавка (SLM) отличается тем, что не спекает, а фактически расплавляет порошок с местах соприкосновения с мощным лазерным лучом, позволяя создавать материалы высокой плотности, аналогичные в плане механических характеристик изделиям, изготовленным традиционными методами.

Электронно-лучевая плавка (EBM) является схожим методом аддитивного производства металлических деталей (например, из титановых сплавов), но с использованием электронных пучков вместо лазеров. EBM основывается на плавке металлических порошков слой за слоем в вакуумной камере. В отличие от спекания при температурах ниже порогов плавления, модели, изготовленные электронно-лучевой плавкой отличаются монолитностью с соответствующей высокой прочностью.

Наконец, существует метод струйной 3D-печати. В данном случае на тонкие слои порошка (гипса или пластика) наносится связующий материал в соответствии с контурами последовательных слоев цифровой модели. Процесс повторяется до получения готовой модели. Технология обеспечивает широкий диапазон применения, включая создание цветных моделей, навесных конструкций, использование эластомеров. Конструкция моделей может быть усилена за счет последующей пропитки воском или полимерами.

Ламинирование


3D-принтеры, работающие по технологии FDM, наиболее популярны среди любителей и энтузиастов

Некоторые принтеры используют в качестве материала для построения моделей бумагу, тем самым снижая стоимость печати. Подобные устройства пережили пик популярности в 1990-х. Технология заключается в выкраивании слоев модели из бумаги с помощью углекислотного лазера с одновременным ламинированием контуров для формирования готового изделия.

В 2005 году компания Mcor Technologies Ltd разработала вариант технологии, использующий обычную офисную бумагу, лезвие из карбида вольфрама вместо лазера и выборочное нанесение клея.

Также существуют варианты устройств, осуществляющие ламинирование тонкими металлическими и пластиковыми листами.

Фотополимеризация


3D-печать позволяет создавать функциональные монолитные детали сложной геометрической формы, как эта форсунка для реактивного двигателя
Технология стереолитографии была запатентована Чарльзом Халлом в 1986 году. Фотополимеризация в основном используется в стереолитографии (SLA) для создания твердых объектов из жидких материалов. Этот метод значительно отличается от предыдущих попыток, начиная со скульптурных портретов Франсуа Виллема (1830-1905) и заканчивая фотополимеризацией по методу Мацубары (1974).

Метод цифровой проекции (DLP) использует жидкие фотополимерные смолы, затвердевающие под воздействием ультрафиолетового света, излучаемого цифровыми проекторами в рабочей камере с защитным покрытием. После затвердевания материала рабочая платформа погружается на глубину, равную толщине одного слоя, и жидкий полимер вновь облучается. Процедура повторяется до завершения постройки модели. Примером системы быстрого прототипирования с использованием цифровых светодиодных проекторов служит EnvisionTEC Perfactory.

Струйные принтеры (например, Objet PolyJet) распыляют тонкие слои (16-30мкм) фотополимера на рабочую платформу до получения цельной модели. Каждый слой облучается ультрафиолетовым пучком до затвердевания. В результате получается модель, готовая к немедленному использованию. Гелеобразный опорный материал, используемый для поддержки компонентов геометрически-сложных моделей, удаляется после изготовления модели вручную и промывкой. Технология допускает использование эластомеров.

Сверхточная детализация моделей может быть достигнута с помощью многофотонной полимеризации. Данный метод сводится к вычерчиванию контуров трехмерного объекта фокусированным лазерным пучком. Благодаря нелинейному фотовозбуждению материал застывает только в точках фокусирования лазерного пучка. Данный метод позволяет с легкостью добиваться разрешений свыше 100мкм, а также выстраивать сложные структуры с движущимися и взаимодействующими частями.

Еще одним популярным методом является полимеризация с помощью светодиодных проекторов или «проекционная стереолитография».

Проекционная стереолитография


Катушки с нитью из ABS-пластика
Данный метод подразумевает разделение цифровой трехмерной модели на горизонтальные слои с преобразованием каждого слоя в двухмерную проекцию, аналогичную фотошаблонам. Двухмерные изображения проецируются на последовательные слои фотополимерной смолы, затвердевающие в соответствии с проецируемыми контурами.

В некоторых системах проекторы расположены снизу, способствуя выравниванию поверхности фотополимерного материала при вертикальном движении модели (в данном случае рабочая платформа с нанесенными слоями передвигается вверх, а не погружается в материал) и сокращению производственного цикла до минут вместо часов.

Технология позволяет создавать модели со слоями из нескольких материалов с разной скоростью застывания.

Некоторые коммерческие модели, например Objet Connex, наносят смолу с помощью небольших сопел.

Принтеры

Промышленные установки

Промышленное внедрение аддитивного производства идет высокими темпами. К примеру, совместная американо-израильская компания Stratasys поставляет установки для аддитивного производства стоимостью от $2 000 до $500 000, а компания General Electric использует устройства высокого класса для производства частей газовых турбин.

Бытовые устройства


Технология LOM поднимает папье-маше на качественно новый уровень

Разработка 3D-принтеров для бытового использования ведется нарастающим числом компаний и энтузиастов. Большая часть работы выполняется силами любителей для собственных и общественных нужд, с помощью со стороны академического сообщества и хакеров.

Старейшим и наиболее долгоживущим проектом в категории настольных 3D-принтеров является RepRap. Проект RepRap направлен на создание 3D-принтеров с бесплатным открытым исходным кодом (FOSH), предоставляемым по универсальной общественной лицензии GNU. Устройства RepRap способны печатать пластиковые компоненты из состава собственной конструкции, которые могут быть использованы для постройки клонов оригинального устройства. Отдельные устройства RepRap успешно применяются для производства печатных плат и металлических частей.

В связи с открытым доступом к чертежам принтеров RepRap, многие из проектов перенимают технические решения аналогов, создавая, таким образом, подобие экосистемы, состоящей по большей части из свободно модифицируемых устройств. Широкая доступность дизайнов с открытым кодом только способствует возникновению вариантов. С другой стороны, наблюдается существенный разброс в уровне качества и сложности как самих дизайнов, так и изготовляемых на их основе устройств. Быстрое развитие 3D-принтеров с открытым исходным кодом ведет к росту популярности и образованию общественных и коммерческих порталов (таких, как Thingiverse или Cubify), предлагающих различные 3D-дизайны, пригодные для печати. Кроме того, развитие технологии способствует устойчивому развитию местных экономик благодаря возможности использования локально-доступных материалов для производства принтеров.


Стереолитографические 3D-принтеры зачастую используются в стоматологическом протезировании

Стоимость 3D-принтеров сокращается значительными темпами, начиная с примерно 2010 года: устройства, стоившие на тот момент $20 000, ныне обходятся в $1 000 или меньше. Многие компании и индивидуальные разработчики уже предлагают бюджетные комплекты для сборки RepRap стоимостью менее $500. Открытый проект Fab@Home привел к разработке принтеров общего назначения, способных печатать всем, что может быть выдавлено через сопло – от шоколада до силиконовой замазки и химических реагентов. Принтеры, выполненные на основе этого дизайна доступны в виде сборочных комплектов с 2012 года по цене около $2 000. Некоторые 3D-принтеры, включая mUVe 3D и Lumifold, изначально рассчитаны на максимальную ценовую доступность – так, устройство Peachy Printer рассчитано на стоимость порядка $100. Профессиональные принтеры, разработанные за счет общественного финансирования на площадке Kickstarter, зачастую показывают прекрасные результаты: устройства Rapide 3D отличаются бесшумной работой и отсутствием вредных испарений при цене в $1 499. «3D-печатающая ручка» 3D Doodler собрала $2,3млн. в пожертвованиях на Kickstarter, с отпускной ценой самого устройства в $99. Правда, полноценным 3D-принтером 3D Doodler назвать сложно.


3D Systems Cube - популярный бытовой 3D-принтер

По мере падения стоимости, 3D-принтеры становятся все более привлекательными для бытового производства. Кроме того, бытовое применение технологий 3D-печати может снизить экологический урон, наносимый промышленностью, за счет снижения объемов расходуемых материалов и затрат энергии и топлива на перевозку материалов и товаров.

Параллельно созданию домашних 3D-печатных устройств идет разработка приспособлений для переработки домашних отходов в печатные материалы, т.н. RecycleBot. Например, коммерческая модель Filastrucer была спроектирована для переработки пластиковых отходов (бутылок из-под шампуня, молочных контейнеров) в недорогой расходный материал для RepRap принтеров. Подобные методы бытовой утилизации не только практичны, но и оказывают положительное влияние на экологическую обстановку.

Разработка и кастомизация 3D-принтеров RepRap привела к появлению новой категории полупрофессиональных принтеров для малого бизнеса. Такие производители, как Solidoodle, RoBo и RepRapPro предлагают комплекты по цене ниже $1 000. Точность печати подобных устройств находится между промышленными и бытовыми принтерами. В последнее время набирают популярность принтеры повышенной производительности, использующие дельтаобразную систему координат, или так называемые «дельта-роботы». Некоторые компании предлагают программное обеспечение для поддержки принтеров, произведенных другими компаниями.

Применение


Использование светодиодных проекторов помогает снизить стоимость стереолитографических принтеров. На иллюстрации DLP принтер Nova

Трехмерная печать позволяет уравнять стоимость производства одной детали и массового производства, что представляет угрозу для масштабных экономик. Влияние 3D-печати может оказаться подобным внедрению мануфактуры. В 1450-х никто не мог предсказать последствия внедрения печатного станка, в 1750-х никто не воспринимал всерьез появление парового двигателя, а транзисторы 1950-х казались любопытным новшеством. Но технология продолжает развитие и, вероятнее всего, окажет влияние на каждую научную и производственную отрасль, с которой она соприкоснется.

Наиболее ранним применением аддитивного производства можно считать быстрое прототипирование, нацеленное на сокращение времени разработки новых частей и устройств по сравнению с более ранними субтрактивными методами (слишком медленными и дорогими). Совершенствование технологий аддитивного производства приводит к их распространению в самых разных областях науки и промышленности. Производство деталей, ранее доступных только за счет машинной обработки, теперь возможно за счет аддитивных методов, причем по более выгодной цене.

Области применения включают макетирование, прототипирование, литье, архитектуру, образование, картографию, здравоохранение, розничную торговлю и др.

Промышленное применение

Быстрое прототипирование

Промышленные 3D-принтеры используются для быстрого прототипирования и исследований с начала 1980-х. Как правило, это достаточно крупногабаритные установки, использующие порошковые металлы, песчаные смеси, пластики и бумагу. Подобные устройства зачастую применяются университетами и коммерческими компаниями.

Достижения в области быстрого прототипирования привели к созданию материалов, пригодных для производства конечных изделий, что в свою очередь способствовало развитию 3D-производства готовых изделий, как альтернативы традиционным методам. Одним из преимуществ быстрого производства является относительно невысокая стоимость изготовления мелких партий.

Быстрое производство

Быстрое производство остается достаточно новым методом, чьи возможности пока еще не полностью исследованы. Тем не менее, многие эксперты склонны считать быстрое производство технологией качественно нового уровня. Одними из наиболее многообещающих направлений быстрого прототипирования для адаптации в быстрое производство являются выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS).

Массовая кастомизация


RepRap принтеры способны частично самовоспроизводиться

Некоторые компании предлагают услуги по пользовательской кастомизации объектов с помощью упрощенного программного обеспечения с последующим созданием уникальных 3D-моделей на заказ. Одним из наиболее популярных направлений стало изготовление корпусов сотовых телефонов. В частности, компания Nokia выложила в открытый доступ дизайны корпусов своих телефонов для пользовательской кастомизации и 3D-печати.

Массовое производство

Текущая низкая скорость печати 3D-принтеров ограничивает их использование в массовом производстве. Для борьбы с этим недостатком некоторые FDM устройства оснащаются несколькими экструдерами, позволяющими печатать разными цветами, разными полимерами и даже создавать несколько моделей одновременно. В целом, такой подход повышает производительность, не требуя при этом использования нескольких принтеров – для работы нескольких печатных головок хватает одного микроконтроллера.

Устройства с несколькими экструдерами позволяют создавать несколько идентичных объектов лишь по одной цифровой модели, но в то же время допускают использование разных материалов и цветов. Скорость печати возрастает пропорционально количеству печатающих головок. Кроме того, достигается определенная экономия электроэнергии за счет использования общей рабочей камеры, зачастую требующей подогрева. Вместе, эти два момента снижают себестоимость процесса.

Многие из принтеров оснащаются двойными печатными головками, однако данная конфигурация используется только для печати одиночных моделей разными цветами и материалами.

Бытовое и любительское применение

На сегодняшний день бытовая 3D-печать в основном привлекает внимание энтузиастов и любителей, в то время как практическое применение достаточно ограничено. Тем не менее, 3D-принтеры уже использовались для печати работающих механических часов, шестеренок для деревообрабатывающих станков, украшений и пр. Вебсайты, связанные с домашней 3D-печатью, зачастую предлагают дизайны крючков, дверных ручек, массажных инструментов и т.д.

Применяется 3D-печать и в любительской ветеринарии и зоологии – в 2013 году 3D-печатный протез позволил поднять на ноги утенка, а стильные 3D-печатные раковины приходятся по душе ракам-отшельникам. 3D-принтеры достаточно широко применяются для бытового производства бижутерии – ожерелий, колец, сумочек и пр.

Открытый проект Fab@Home направлен на разработку бытовых принтеров общего назначения. Устройства испытывались в исследовательских условиях на предмет использования новейших 3D-печатных технологий для производства химических соединений. Принтер может печатать любым материалом, пригодным для экструзии из шприца в виде жидкости или пасты. Разработка направлена на возможность домашнего производства лекарств и бытовой химии в удаленных районах проживания.

Студенческий проект OpenReflex привел к созданию дизайна аналогового зеркального фотоаппарата, пригодного для 3D-печатного производства.

Одежда

3D- печать получает распространение в мире моды – кутюрье используют принтеры для экспериментов по созданию купальников, обуви и платьев. Коммерческое применение включает быстрое прототипирование и 3D-печатное производство профессиональной спортивной обуви - Vapor Laser Talon для футболистов и New Balance для легкоатлетов.

3D-биопечать


Медицинские имплантаты из титана, созданные с помощью технологии EBM

В настоящее время ведутся исследования в области 3D-печати силами биотехнологических компаний и академических учреждений. Исследования направлены на изучение возможности применения струйной/капельной 3D-печати в тканевой инженерии для создания искусственных органов. Технология основывается на нанесении слоев живых клеток на гелевый субстрат или сахарный матрикс, с постепенным послойным наращиванием для создания трехмерных структур, включая сосудистые системы. Первая производственная система для 3D-печати тканей, основанная на биопечатной технологии NovoGen, была представлена в 2009 году. Для описания этой исследовательской области используется целый ряд терминов: печать органов, биопечать, компьютерная тканевая инженерия и др.

Один из пионеров 3D-печати, исследовательская компания Organovo, проводит лабораторные исследования и развивает производство функциональных трехмерных образцов человеческих тканей для использования в медицинских и терапевтических исследованиях. Для биопечати компания использует 3D-принтер NovoGen MMX. Organovo считает, что биопечать позволит ускорить тестирование новых медицинских препаратов перед клиническими испытаниями, что позволит экономить время и средства, вкладываемые в разработку лекарств. В долгосрочной перспективе Organovo надеется адаптировать технологию биопечати для создания трансплантатов и применения в хирургии.

3D-печать имплантатов и медицинских аппаратов

3D-печать используется для создания имплантатов и устройств, применяемых в медицине. Успешные операции включают такие примеры, как вживление титановых тазовых и челюстных имплантатов, а также пластиковых трахеальных шин. Наиболее широкое применение 3D-печати ожидается в производстве слуховых аппаратов и стоматологии. В марте 2014 года хирурги из Суонси использовали 3D-печать для реконструкции лица мотоциклиста, получившего серьезные травмы в дорожной аварии.

3D-печатные сервисы

Некоторые компании предлагают услуги по 3D-печати онлайн, доступные для индивидуальных заказчиков и промышленных компаний. От заказчика требуется подгрузка 3D-дизайна на сайт, после чего модель печатается с помощью промышленных установок. Готовое изделие либо доставляется заказчику, либо подлежит самовывозу.

Исследование новых применений


3D-печать позволяет создавать полностью функциональные металлические изделия, вплоть до оружия.
Будущее применение 3D-печати может включать создание научного оборудования с открытым исходным кодом для использования в открытых лабораториях и другого научного применения – реконструкции окаменелостей в палеонтологии, создания дубликатов бесценных археологических артефактов, реконструкции костей и частей тел для судебно-медицинской экспертизы, реконструкции сильно поврежденных улик, собранных с мест преступлений. Технология также рассматривается для применения в строительстве.

В 2005 году академические журналы начали публиковать материалы по возможности применения технологий 3D-печати в искусстве. В 2007 году Wall Street Journal и журнал Time включили 3D-дизайн в список 100 самых значительных достижений года. В Музее Виктории и Альберта на Лондонском дизайнерском фестивале в 2011 году была представлена экспозиция Мюррэя Мосса под названием «Индустриальная революция 2.0: как материальный мир материализуется заново», посвященная технологиям 3D-печати.

В 2012 году экспериментальный проект Университета Глазго показал, что 3D-печать может быть использована для производства химических соединений, включая доселе неизвестные. В ходе проекта были напечатаны сосуды для хранения химических реагентов, в которые с помощью аддитивных установок впрыскивались «химические чернила» с последующей реакцией. Состоятельность технологии была доказана производством новых соединений, но конкретное практическое применение в ходе эксперимента не преследовалось. Лаборатория Cornell Creative Machines подтвердила возможность создания пищевых продуктов с помощью гидроколлоидной 3D-печати. Профессор Лерой Кронин из Университета Глазго предложил использовать «химические чернила» для печати медицинских препаратов.

Использование технологий 3D-сканирования позволяет создавать реплики настоящих объектов без использования литейных методов, требующих высоких затрат, сложных в исполнении и способных оказывать разрушающее воздействие в случаях с драгоценными и хрупкими объектами культурного наследия.

Дополнительным примером разрабатываемых технологий трехмерной печати служит применение аддитивного производства в строительстве. Это могло бы позволить ускорить темпы строительства с одновременным снижением стоимости. В частности, рассматривается возможность использования технологии для постройки космических колоний. Например, проект Sinterhab направлен на исследование возможности аддитивного производства лунных баз с использованием лунного реголита в качестве основного строительного материала. Вместо использования связующих материалов, рассматривается возможность микроволнового спекания реголита в цельные строительные блоки.

Аддитивное производство позволяет создавать волноводы, муфты и изгибы в терагерцевых устройствах. Высокая геометрическая сложность подобных изделий не могла быть достигнута традиционными производственными методами. Коммерчески доступная профессиональная установка EDEN 260V была использована для создания структур с разрешением в 100 микрон. Напечатанные структуры были гальванизированы золотом для создания терагерцевого плазмонного аппарата.

Китай выделил почти $500млн. на развитие 10 национальных институтов по разработке технологий 3D-печати. В 2013 году китайские ученые приступили к печати живых хрящевых, печеночных и почечных тканей с помощью специализированных 3D-биопечатных принтеров. Исследователи из Университета Ханчжоу Дианци даже разработали для этой сложной задачи собственный 3D-биопринтер, получивший название Regenovo. Один из разработчиков Regenovo, Сюй Минген, заявил, что принтеру требуется менее часа для производства небольшого образца печеночной ткани или четырех-пяти дюймового образца ушного хряща. Сюй предрекает появление первых полноценных печатных искусственных органов в течение следующих 10-20 лет. В том же году исследователи из бельгийского Университета Хасселта успешно распечатали новую челюсть для 83-летней женщины. После вживления имплантата пациент может нормально жевать, разговаривать и дышать.

В Бахрейне 3D-печать материалами, напоминающими песчаник, позволила создать уникальные структуры для поддержки роста кораллов и восстановления поврежденных рифов. Данные структуры имеют более натуральную форму, чем конструкции, использовавшиеся ранее, и не обладают кислотностью бетона.

Интеллектуальная собственность


Срез печеночной ткани, напечатанной специалистами компании Organovo, работающей над совершенствованием технологий 3D-печати для производства искусственных органов
3D-печать существует на протяжении десятилетий, и многие аспекты технологий попадают под патенты, авторские права и защиту торговых марок. Однако, с точки зрения юриспруденции не совсем ясно, как законы о защите интеллектуальной собственности будут применяться на практике, если 3D-принтеры получат широкое
распространение и будут применяться в бытовом производстве товаров для личных нужд, некоммерческого использования или для продажи.

Любые из защитных мер могут негативно повлиять на распространение дизайнов, используемых в 3D-печати или реализацию напечатанных изделий. Для использования защищенных технологий может потребоваться разрешение владельца, что в свою очередь потребует уплаты роялти.

Патенты распространяются на некоторые процессы, устройства и материалы. Срок действия патентов варьируется в разных странах.

Зачастую авторские права распространяются на выражение идей в виде материальных объектов и длятся на протяжении жизни автора, плюс 70 лет. Таким образом, если кто-то создаст статую и получит авторские права, распространение дизайнов для печати идентичной или подобной статуи будет незаконным.

Влияние 3D-печати

Аддитивное производство требует от производственных компаний гибкости и постоянного совершенствования доступных технологий для поддержания конкурентоспособности. Защитники аддитивного производства предрекают нарастание противостояния 3D-печати и глобализации по мере того, как домашнее производство будет вытеснять торговлю товарами между потребителями и крупными производителями. В реальности, интеграция аддитивных технологий в коммерческое производство служит как дополнение традиционных субтрактивных методов, а не полная замена последних.

Космические исследования

В 2010 году начались работы по применению 3D-печати в условиях невесомости и низкой гравитации. Основной целью является создание ручных инструментов и более сложных устройств «по мере необходимости» вместо использования ценного грузового объема и топлива для доставки готовых изделий на орбиту.


3D-печатью заинтересовалась даже NASA
В то же время, NASA проводит совместные тесты с компанией Made in Space, направленные на оценку потенциала 3D-печати в снижении стоимости и повышении эффективности космических исследований. Детали ракет, изготовленные NASA с помощью аддитивных технологий, успешно прошли испытания в июле 2013 года: две топливные форсунки показали результаты на уровне деталей, производимых традиционными методами, во время рабочих тестов, подвергших детали температурам около 3 300°С и высоким уровням давления. Примечательно, что NASA готовится к запуску 3D-принтера в космос: агентство собирается продемонстрировать возможность создания запасных частей прямо на орбите, вместо дорогостоящей транспортировки с земли.

Социальные перемены

Тема социальных и культурных перемен, как результата внедрения коммерчески доступных аддитивных технологий, обсуждается писателями и социологами с 1950-х. Одним из наиболее интересных предположений стало возможное стирание границ между бытом и рабочими местами в результате массового внедрения 3D-принтеров в домашние условия. Также указывается легкость передачи цифровых дизайнов, что в комбинации с локальным производством будет способствовать снижению необходимости в глобальных транспортных перевозках. И наконец, защита авторских прав может претерпеть изменения с учетом легкости аддитивного производства многих товаров.

Огнестрельное оружие

В 2012 году американская компания Defense Distributed опубликовала планы по созданию «дизайна функционального пластикового оружия, доступного для скачивания и воспроизведения любым пользователем с доступом к 3D-принтеру». Defense Distributed разработала 3D-печатную версию ствольной коробки для винтовки AR-15, способную выдерживать более 650 выстрелов, и магазина на 30 патронов для винтовки M-16. AR-15 имеет две ствольные коробки (нижнюю и верхнюю), но легальный учет привязан к нижней коробке, имеющей штамп с серийным номером. Вскоре после того, как Defense Distributed создала первые рабочие чертежи для производства пластикового оружия в мае 2013 года, Государственный департамент США потребовал удаления инструкций с сайта компании.

Распространение чертежей компанией Defense Distributed подогрело дискуссию о возможном влиянии 3D-печати и цифровых обрабатывающих устройств на эффективность контроля незаконного оборота оружия. Однако борьба с распространением цифровых оружейных моделей неминуемо столкнется с теми же проблемами что и попытки предотвращения торговли пиратским контентом.


Перейти на главную страницу Энциклопедии 3D-печати