3D печать: что нужно знать

Это не принтер с ромашками на колесиках вашего дедушки или точечная матрица вашей мамы. На самом деле, они мало похожи на современные документы или фотопринтеры, которые могут печатать только в скучных старых двух измерениях. Как следует из их названия, 3D-принтеры могут создавать трехмерные объекты из различных материалов. Они выходят на мейнстрим, появляются в таких магазинах, как Staples, Best Buy и Home Depot, и вы можете купить многочисленные 3D-принтеры и их расходные материалы на Amazon.com и в других онлайн-магазинах. Хотя 3D-принтеры все еще в основном можно найти в торговых залах или в дизайн-студиях, в школах и общественных центрах, а также в руках любителей, все чаще можно встретить их на рабочих местах, в комнатах отдыха и на кухнях - и, возможно, в доме рядом с вами, если не твой собственный.

Что такое 3D печать?

По своей сути, 3D-печать - это производственный процесс, в котором материал укладывается слой за слоем, образуя трехмерный объект. (Это считается аддитивным процессом, потому что объект строится с нуля, в отличие от вычитающих процессов, в которых материал режется, сверлится, фрезеруется или обрабатывается.) Хотя в 3D-принтерах используются различные материалы (например, пластик или металл) и методы (см. «Как работает 3D-печать?» ниже), они совместно используют возможность превращать цифровые файлы, содержащие трехмерные данные - независимо от того, созданы ли они с помощью программы автоматизированного проектирования (CAD) или автоматизированного производства (CAM), или из 3D-сканера - в физические объекты.

Является ли 3D-печать равномерной?

Да, 3D-печать можно считать печатью, хотя и не так, как это было традиционно определено. Соответствующие определения Вебстера «печать» сосредоточены на производстве печатных материалов, публикаций или фотографий и производстве с помощью слепка (приложения давления). Ни одно из определений не подходит для 3D-печати. Но с технологической точки зрения 3D-печать является результатом традиционной печати, в которой наносится слой материала (обычно чернил). Обычно он настолько тонкий, что не имеет заметной высоты (хотя с чернильными принтерами он несколько толще). То, что делает 3D-печать, значительно увеличивает эту высоту за счет нанесения нескольких слоев. Поэтому имеет смысл расширить определение печати, включив в него изготовление трехмерных объектов.

Как работает 3D-печать?

Как и традиционные принтеры, в 3D-принтерах используются самые разные технологии. Наиболее известным является моделирование осаждения из плавленого сплава (FDM), также известное как изготовление из плавленого филамента (FFF). В ней нить, состоящая из акрилонитрил-бутадиен-стирола (ABS), полимолочной кислоты (PLA) или другого термопласта, расплавляется и осаждается через сопло с нагретой экструзией в виде слоев. Первые 3D-принтеры, появившиеся на рынке, сделанные в середине 1990-х годов Stratasys с помощью IBM, использовали FDM (термин, зарегистрированный под торговой маркой Stratasys), как и большинство 3D-принтеров, предназначенных для потребителей, любителей и школ.

Другой технологией, используемой в 3D-печати, является стереолитография. В нем УФ-лазер помещается в чан с фоточувствительным элементом, чувствительным к ультрафиолету, и отслеживает объект, который будет создан на его поверхности. Полимер затвердевает везде, где балка касается его, и балка «печатает» объект слой за слоем в соответствии с инструкциями в файле CAD или CAM, из которого он работает.

В дополнение к этому у вас также есть 3D-печать цифрового проектора света (DLP). Этот метод подвергает жидкий полимер воздействию света от проектора цифровой обработки света. Это затвердевает полимерный слой слой за слоем, пока объект не будет построен, а оставшийся жидкий полимер слит.

Многоструйное моделирование - это струйная система 3D-печати, которая распыляет цветное клейкое связующее на последовательные слои порошка, где должен быть сформирован объект. Это один из самых быстрых методов и один из немногих, который поддерживает многоцветную печать.

Можно изменять стандартный струйный принтер для печати с использованием материалов, отличных от чернил. Предприимчивые самоделки создали или модифицировали печатающие головки, обычно пьезоэлектрические, для работы с различными материалами - в некоторых случаях сами печатающие головки печатают на других 3D-принтерах! Такие компании, как MicroFab Technologies, продают печатающие головки с поддержкой 3D (а также комплектные системы печати).

Селективное лазерное спекание (SLS) использует мощный лазер для плавления частиц пластика, металла, керамики или стекла. По окончании работы оставшийся материал перерабатывается. Электронно-лучевая плавка (EBM) использует - как вы уже догадались - электронный пучок, чтобы расплавить металлический порошок слой за слоем. Титан часто используется с EBM для синтеза медицинских имплантатов, а также деталей самолетов.

В зависимости от технологии 3D-принтеры могут использовать различные материалы, включая, помимо прочего, металлы (среди них нержавеющая сталь, припой, алюминий и титан); пластмассы и полимеры (включая композиты, которые объединяют пластмассы с металлами, деревом и другими материалами); керамика; штукатурка; стакан; и даже такие продукты, как сыр, глазурь и шоколад! (См. Наш учебник по типам нитей 3D-принтера.)

Кто изобрел 3D-печать?

Первый 3D-принтер, в котором использовалась техника стереолитографии, был создан Чарльзом В. Халлом в середине 1980-х годов. Стереолитография - это в значительной степени дорогостоящий коммерческий метод, стоимость которого часто составляет 100 000 долларов и более.

В 1986 году Халл основал 3D Systems, компанию, которая сегодня продает 3D-принтеры, использующие различные технологии. Они варьируются от наборов начального уровня до продвинутых коммерческих систем, а 3D Systems также предоставляет услуги по запросу запчастей, в основном для бизнес-пользователей.

Каковы преимущества 3D-печати?

Благодаря 3D-печати дизайнеры имеют возможность быстро превращать концепции в 3D-модели или прототипы (так называемые «быстрые прототипы») и внедрять быстрые изменения в дизайне. Это позволяет производителям производить продукцию по запросу, а не в больших количествах, улучшая управление запасами и уменьшая складские площади. Люди в отдаленных местах могут изготовить объекты, которые в противном случае были бы им недоступны.

С практической точки зрения, 3D-печать может сэкономить деньги и материал по сравнению с вычитающими методами, так как расходуется очень мало сырья. И это обещает изменить характер производства, позволяя потребителям загружать файлы для печати даже сложных трехмерных объектов, в том числе, например, электронных устройств, у себя дома.

Что могут сделать 3D-принтеры?

Дизайнеры используют 3D-принтеры для быстрого создания моделей продуктов и прототипов, но их все чаще используют и для создания конечных продуктов. Среди изделий, изготовленных с помощью 3D-принтеров, - обувные конструкции, мебель, восковые отливки для изготовления ювелирных изделий, инструменты, штативы, подарочные и новинки, а также игрушки. В автомобильной и авиационной промышленности для изготовления деталей используются 3D-принтеры. Художники могут создавать скульптуры, а архитекторы могут создавать модели своих проектов. Археологи используют 3D-принтеры для реконструкции моделей хрупких артефактов, в том числе некоторых древностей, которые в последние годы были уничтожены ИГИЛ. Аналогично, палеонтологи и их ученики могут дублировать скелеты динозавров и другие окаменелости. Проверьте нашу галерею простых и практичных объектов 3D-принтер.

Врачи и медицинские работники могут использовать 3D-печать для изготовления протезов, слуховых аппаратов, искусственных зубов и костных трансплантатов, а также копировать модели органов, опухолей и других внутренних структур тела из компьютерных томографов при подготовке к операции. Хорошим примером является проект Daniel, который 3D-печатью протезных рук и кистей для жертв насилия в Судане. Кроме того, разрабатываются 3D-принтеры, которые могут создавать слои клеток для создания искусственных органов (таких как почки и кровеносные сосуды), уже в стадии НИОКР. В криминалистике даже есть место для 3D-печати, например, для репликации пули, находящейся внутри жертвы.

Печатная электроника - это набор методов печати, которые позволяют печатать электронные устройства или схемы на гибком материале, таком как этикетки, ткани и картон, путем нанесения электронных или оптических чернил. Это обеспечивает очень дешевое изготовление низкоэффективных устройств. Печатная электроника начинает совмещаться с 3D-печатью, позволяя печатать многослойные схемы или устройства. Естественным следствием этого мощного комбо является то, что когда-нибудь вы сможете распечатать гаджеты из 3D-планов, а не покупать их.

Приготовление пищи - это еще один способ использования 3D-принтеров. Французский кулинарный институт использует 3D-принтер с открытым исходным кодом, разработанный в Корнельском университете, для приготовления художественных деликатесов, а MIT создал 3D-принтер для пищевых продуктов под названием «Рог изобилия». Небольшое количество ресторанов тестируют прототипы фуд-принтеров. Исследования НАСА по 3D-печати включали в себя печать пищевых продуктов, таких как пицца с 3D-печатью.

Горстка еды 3D-принтеры стали коммерчески доступными. Они имеют тенденцию сосредотачиваться на определенных продуктах, таких как шоколад, блины или печенье.

Что такое услуги 3D-печати?

Вам не нужно иметь 3D-принтер, чтобы воспользоваться им. Многие службы 3D-печати, такие как Shapeways и Sculpteo, печатают подарки и другие мелкие предметы на заказ на своих собственных 3D-принтерах, а затем отправляют их заказчику. Клиенты могут либо отправлять свои собственные файлы трехмерных объектов, либо выбирать элементы, большинство из которых были разработаны другими пользователями службы, из онлайн-каталога.

Но услуги 3D-печати больше не являются исключительно областью специалистов. Крупные компании, такие как Staples и UPS, ввели услуги 3D-печати, а некоторые традиционные типографии добавили 3D-печать в свой репертуар.

Где я могу получить 3D-принтер?

Большинство производителей 3D-принтеров продают свою продукцию напрямую через Интернет. Сейчас многие интернет-магазины продают их, в том числе компании, работающие только в режиме онлайн, такие как Amazon.com, и другие, которые также имеют обычные магазины. Некоторые из последних, такие как Walmart, Best Buy и Staples, предлагают их в магазинах, а также в Интернете, но не забудьте проверить их наличие на своих веб-сайтах, поскольку не все торговые точки их несут. В крупных городах открылось несколько магазинов 3D-принтеров. Например, у iMakr есть витрины в Лондоне и Нью-Йорке.

Несколько интернет-магазинов специализируются на 3D-принтерах, таких как Dynamism, который продает ряд 3D-принтеров разных брендов, а также обеспечивает поддержку клиентов.

Какое программное обеспечение мне нужно для 3D-печати?

Почти все 3D-принтеры принимают файлы в так называемом формате STL (названном в честь стереолитографии). Эти типы файлов могут создаваться большинством любых программ САПР, от дорогих коммерческих пакетов, таких как AutoCAD, до бесплатных продуктов с открытым исходным кодом, таких как Google SketchUp и Blender. Для тех, кто не склонен создавать свои собственные 3D-файлы, базы данных 3D-объектов, такие как Thingiverse MakerBot, предлагают множество файлов 3D-объектов, которые можно загружать и распечатывать.

Большинство 3D-принтеров поставляются с программным пакетом, поставляемым на диске или доступным для загрузки, который включает в себя все необходимое для печати. Наборы обычно предоставляют программу для управления принтером и слайсером, который при подготовке к печати форматирует объектный файл в слои на основе выбранного разрешения и других факторов. Некоторые комплекты включают в себя программу для «исцеления» объектного файла путем устранения проблем, которые могут помешать плавной печати. Программы вышли из движения с открытым исходным кодом RepRap, из которого развивалась увлеченная трехмерная печать. С некоторыми принтерами вы можете выбирать отдельные компоненты для загрузки, а не использовать то, что предусмотрено в комплекте.

Что ждет будущее в 3D-печати?

Легко доступны разнообразные 3D-принтеры для дома и малого бизнеса - PCMag проверил довольно много их - но они все еще часто рассматриваются как экзотические и довольно дорогие хитрости. Ожидайте, что это изменится в течение следующих нескольких лет, когда 3D-принтеры станут более распространенными в домах - их можно найти на рабочих местах, в студиях, домашних офисах и даже на кухне. Возможно, вы не найдете их в каждом доме, но они станут незаменимыми для тех людей, у которых они есть. По большей части изделия, изготовленные на 3D-принтерах, имеют однородные интерьеры, но мы начнем видеть более сложные творения, сочетающие множество материалов и композитов, а также печатную электронику. На современных 3D-принтерах, если вы потеряете крышку батарейного отсека пульта телевизора, вы можете распечатать сменную крышку. С завтрашнего дня, если вы потеряете пульт, вы сможете распечатать новый пульт.

Кроме того, 3D-печать укрепляется в космосе. НАСА экспериментирует с 3D-принтерами на борту Международной космической станции. В конце концов, 3D-принтеры могут быть использованы для создания мест обитания на Марсе и в других мирах. Чтобы спасти астронавтов Аполлона-13 от смерти от удушья угарным газом, НАСА должно было найти способ вставить квадратный колышек в круглое отверстие. Если бы на борту был 3D-принтер, они могли бы легко решить проблему, спроектировав и распечатав разъем.

Астронавты не могут совершить качели в Home Depot, если им нужно заменить клапан или виджет, но 3D-принтер может изготовить их по мере необходимости. Аналогично, мы увидим 3D-принтеры в антарктических базах и других отдаленных земных точках, где люди не могут ждать шесть месяцев до следующей поставки для замены основных частей или инструментов.

Медицинское применение 3D-печати не ограничивается протезированием, слуховыми аппаратами и зубными коронками. (См. «Что могут делать 3D-принтеры?» Выше для предварительного просмотра того, что находится в разработке.) Запасные части не должны быть ограничены механическими.

В последние несколько лет мы видели взрыв в разнообразии и использовании 3D-принтеров. Это похоже на то, где персональные компьютеры были примерно в 1980 году. Хотя достаточно легко увидеть некоторые области, в которые будет распространяться область 3D-печати, другие находятся за пределами нашей способности предсказать, точно так же, как никто в 1980 году не мог вообразить многое из того, что персональный компьютер превратится в. Возможно, что 3D-печать может не оказывать такого же влияния, как на ПК, но она действительно может революционизировать производство и, что еще важнее, передать ее в руки повседневных потребителей. Однако одно можно сказать наверняка: 3D-печать всегда здесь.

Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашим руководством по 10 лучшим 3D-принтерам, а также с советами одного из первых пользователей.