Технология, история и основные тенденции 3D-печати

История 3D-печати насчитывает уже несколько десятилетий, но долгие годы она оставалась в тени из-за ограниченной сферы применения и дороговизны печатающих устройств. Развитие 3D-печати проходило по классическому сценарию: сначала были созданы огромные и баснословно дорогие устройства промышленного назначения, и лишь в последние годы, с появлением относительно недорогих настольных 3D-принтеров, технология вступила в период бурного развития.

Сегодня 3D-печать активно расширяет сферы своего приложения. Fashion-дизайнеры научились печатать на 3D-принтерах обувь и одежду, рекламные агентства – уникальные образцы рекламной продукции, предприятия общепита – пищевые блюда и кондитерские изделия, машиностроительные заводы – корпуса, детали и запасные части для автомобилей, авиастроительные компании – детали для авиалайнеров, озеленители – декоративные фигуры для ландшафтного дизайна, медицинские учреждения – ортопедические протезы и даже органы для пересадки.

Осознавая важность и значимость 3D-печати, развитые страны инвестируют в её развитие огромные средства. Некоторые из них приступили к строительству научных центров 3D-печати и разработали образовательные программы по изучению основ 3D-моделирования. Производственные объединения активно включают трёхмерные принтеры в цепочку технологических процессов, бизнесмены используют их для извлечения прибыли. Не остаются в стороне и рядовые пользователи, которые понемногу осваивают 3D-принтеры, приспосабливая их для печати сувениров и различных бытовых предметов.

Интерес к 3D-печати подогревают средства массовой информации, которые пестрят новостями о её достижениях. Информации о 3D-печати очень много, поэтому для начала мы попытаемся систематизировать её и составить краткий обзор технологий 3D-печати.

Технологии 3D-печати

Управление 3D-принтером не требует углубленных знаний в области материаловедения и большого опыта обработки материалов. Конечно, у 3D-печати тоже есть свои нюансы, но научиться работать на трёхмерном принтере значительно проще, чем на фрезерном, токарном или деревообрабатывающем станке.

Современные технологии прототипирования в большинстве своём основаны на принципе отсечения лишнего, благодаря которому при создании моделей остаётся большой объём отходов. Технология 3D-печати является приятным исключением из общего правила, поскольку в её основу заложен не принцип отсечения лишнего, а принцип послойного выращивания, при котором объём отходов либо минимален, либо их нет вообще.

Технологии и методы 3D-печати

В медицине изобрели специализированные 3D-биопринтеры, которые печатают не фотополимерами, а живыми клетками. С помощью таких принтеров в ближайшие десятилетия начнут выращивать органы и ткани для пересадки в организм человека.

В строительстве разработали строительный 3D-принтер, который печатает строительные объекты из быстрозастывающего бетона. Строительный принтер с технологией Contour Crafting может за сутки возвести двухэтажный дом площадью 200 кв.м.

Строительный 3D-принтер Contour Crafting

История 3D-печати

История 3D-печати начинается в 1984 году, когда появилась технология стереолитографии. Эта уникальная технология была запатентована лишь два года спустя Чарльзом Халлом (Charles Hull), тогда же была основана компания 3D System и разработана первая стереолитографическая установка.

Чарльз Халл – родоначальник 3D-печати

В 1985 году Михаил Фейген (Michael Feygin) предложил технологию ламинирования LOM (Lаminаtеd Оbjеct Маnufacturing), в 1986 году Джо Биман (Joe Beaman) и Карл Декард (Carl Decard) разработали метод селективного лазерного спекания (Sеlесtivе Lаsеr Sintеring), а в 1988 году благодаря Скотту Крампу (S. Scott Crump) появилась технология послойного наплавления FDМ (Fusеd Dеpоsition Мodeling). В 1989 году Скотт Крамп основал компанию Stratasys, а в 1991 году выпустил первый в мире FDM-принтер. В конце 80-х годов ХХ века в Китае разработали технологию MEM (Меlted and Еxtruded Мanufacturing), очень похожую на FDM, но названную по-новому в силу патентных ограничений.

В первые годы своего существования технология создания трёхмерных объектов называлась быстрым прототипированием. В 1995 году студенты Массачусетского технологического института предложили ёмкое и запоминающееся название «3D-печать», новый термин довольно быстро прижился среди разработчиков и пользователей.

2000 год был ознаменован появлением технологии PolyJet, а уже в 2005 году был представлен первый 3D-принтер с довольно высоким качеством цветной печати. Дальше процесс появления новых технологий и совершенствования имеющихся шёл в ускоренном темпе.

В 2008 году появились первые RepRap принтеры, способные напечатать себе подобные устройства. Про такие принтеры говорят: «Печатает себя сам». Пока не удалось добиться стопроцентного воспроизводства, в основном RepRap принтеры печатают только пластиковые детали и составляющие.

В 2010 году учёные попытались напечатать на 3D-принтере искусственные кровеносные сосуды. Тогда же появились первые пищевые 3D-принтеры Cornucopia (Рог изобилия) для печати блюд. А всего лишь через год миру был представлен первый шоколадный 3D-принтер.

Пищевой 3D-принтер Cornucopia

В 2012 году был выпущен первый бюджетный 3D-принтер с технологией FDM для домашних пользователей.

Современный этап развития 3D-печати

В 2013 году в сфере 3D-печати произошло сразу несколько важных событий:

• в ОС Microsoft Windows 8.1 появилось приложение 3D Builder для 3D-печати;
• на 3D-принтерах начали печатать качественные челюстно-лицевые протезы, появился медицинский 3D-принтер BioPen для замены во время операции повреждённой костной ткани пациента;
• американские учёные напечатали бионическое ухо, которое способно улавливать радиоволны;
• британские учёные напечатали на 3D-принтере глазную сетчатку крысы;
• в США напечатали прототип самовосстанавливающихся кроссовок;
• в США напечатали пистолет «Освободитель»;
• появились 4D-материалы, способные менять форму под действием давления, температуры.

В конце 2013 года руководитель Hewlett-Packard Мэг Уитмен (Margaret Whitman) объявила о том, что к середине 2014 года компания Hewlett-Packard намерена выйти на рынок 3D-печати. По словам Уитмен, HP рассчитывает на лидирующие позиции на рынке объёмной печати.

Компания Epson также планирует выход на рынок трёхмерной печати, но не с несовершенными моделями потребительского класса, а с мощными промышленными принтерами для крупносерийного производства.

В начале 2014 года компания Adobe выпустила обновление для Photoshop CC, которое позволяет редактировать и распечатывать трёхмерные объекты. А Microsoft включила в перечень драйверов для печати Windows 8.1 драйвер популярного принтера UP! 3D.

На выставке SolidWorks World 2014 (Сан-Диего, Калифорния) был представлен первый в мире 3D-принтер, который может печатать несколькими разными цветами и материалами. Речь идёт об устройстве Objet500 Connex3, разработанном компанией Stratasys. Принтер можно использовать для получения сложных моделей без дополнительной окраски и сборки.

Обувь, напечатанная на 3D-принтере Objet500 Connex3

К коммерческой реализации подготовлен первый ручной 3D-принтер 3Doodler с технологией FDM. Принтер по форме напоминает крупный маркер, которым можно рисовать в пространстве объёмные фигурки. Этот принтер создан, скорее, для развлечения, нежели для важных целей. Да и цена у него скорее шуточная, чем серьёзная – от 75 до 99 долл. США.

А вот у NASA планы самые что ни на есть серьёзные. Космическое агентство намерено отправить 3D-принтер в космос вместе с очередным экипажем МКС. Запуск запланирован на август 2014 года.

Рассказывать о событиях, происходящих в сфере 3D-печати, можно бесконечно долго, поэтому мы ограничимся лишь воспроизведением основных этапов недавнего прошлого и несколькими примерами из настоящего и ближайшего будущего.

Новости из России: выставка 3D Print Expo

13-14 февраля 2014 года в Москве прошла первая выставка, посвящённая технологиям 3D-печати и 3D-сканирования 3D Print Expo. Участниками выставками стали производители трёхмерных принтеров, аксессуаров и расходных материалов для объёмной печати.

В рамках выставки состоялась конференция о 3D-печати и сканировании, на которой обсуждались вопросы подготовки специалистов по 3D-моделированию, проблемы авторского права, экономические аспекты использования трёхмерной печати в различных сферах жизнедеятельности человека.

На выставке было представлено множество интересных экспонатов.

Наше внимание привлёк 3D-принтер 3Doodler, продажи которого начнутся только в апреле текущего года. Принтер будет доступен для российских покупателей по цене 3990 рублей. Сотрудники стенда и посетители старательно пытались соорудить с помощью этого принтера какие-нибудь объёмные фигуры, но у них получалось откровенно плохо. Однако, на рекламном ролике опытные специалисты быстро нарисовали в воздухе большого разноцветного попугая-ара. Поэтому проблема здесь заключалась, вероятнее всего, не в ограниченных возможностях инструмента, а в неопытности Doodler-ваятелей.

Порадовал большой ассортимент настольных принтеров персонального класса. Причём на выставке была представлена продукция не только известных производителей, но и модели, разработанные нашими соотечественниками, причём это были не прототипы, а самые настоящие товарные образцы, открытые для покупки.

Большой ассортимент продуктов представил ведущий производитель – компания 3D Systems, которая, между прочим, была одним из спонсоров выставки. На стенде 3D Systems можно было увидеть принтеры самого разного уровня, начиная с малышей Cube, и заканчивая профессиональными устройствами ProJet и ZPrinter.

Ещё одно направление, представленное на 3D Print Expo – это объёмное сканирование. Сканирующие устройства также были представлены в широком ассортименте, начиная от персональных ручных и настольных, и заканчивая профессиональными.

Здесь же были представлены расходные материалы, без которых ни один трёхмерный принтер работать не сможет, и прежде всего пластиковые нити. Пожалуй, наиболее популярным материалом на выставке был ABS-пластик самых разных оттенков и в самой разной фасовке.

ABS-пластик для 3D-печати

Большой популярностью на выставке пользовалась услуга печати 3D-фигурок посетителей выставки. За определённую плату любой желающий мог получить свой трёхмерный «портрет» высотой 11-23 см. Для этого нужно было пройти процедуру трёхмерного сканирования, постояв неподвижно под лучами сканера 5-10 минут. Надо сказать, что фигурки людей, выставленные в качестве образцов, были вполне достойными, и вовсе не напоминали абстрактных кукол. Жаль, что рядом не было оригиналов для сравнения. Безусловно, данный сервис не ограничен рамками выставки. Подобные услуги предоставляются всем желающим в студии или на выездной сессии, ведь это один из вариантов бизнеса, связанного с 3D-печатью.

Другой похожий сервис связан с созданием объёмных моделей по высылаемым фотографиям. Результатом работы 3D-дизайнера станет либо красочный объёмный барельеф, либо фигурка на подставке.

Таким образом, для воплощения своих идей вам вовсе не обязательно покупать дорогой профессиональный принтер и изучать программы 3D-моделирования. Достаточно обратиться в одну из компаний, специализирующихся на 3D-печати, и распечатать всё, что вам необходимо.

Сладкоежки с удовольствием посетили стенд шоколадной печати. Здесь был представлены зарубежные и отечественные шоколадные принтеры. Правда, фигуры, напечатанные этими принтерами, можно было назвать объёмными с большой натяжкой, поскольку они выглядели довольно плоскими.

Впечатление от выставки было немного подпорчено тем, что из-за огромного наплыва посетителей в демонстрационных залах было не протолкнуться, да и конференц-зал был забит до отказа, даже в проходах между рядами стояли люди. Организаторы выставки явно не рассчитали на такой интерес к 3D-печати со стороны общественности. Несмотря на этот досадный нюанс, мы очень надеемся, что выставка 3D Print Expo будет проводиться регулярно, а её масштаб год от года будет только расти.