В век микро- и нанотехнологий мало кого удивишь очередным устройством, обладающим способностями на грани магических. И, тем не менее, даже в наше время совершаются прорывы в научных технологиях, способные не просто поразить воображение, но и перевернуть представление о возможном.
Сегодня мы расскажем о технологии, еще в недалеком прошлом казавшейся невероятной — возможности воссоздавать сложнейшие объемные объекты из практически любых материалов. «Полевые синтезаторы» и «репликаторы» мира научной фантастики постепенно перекочевали в нашу с вами реальность, и развиваются весьма быстрыми темпами, осваивая уже не только научные лаборатории, но и домашний интерьер. 3D-печать и 3D-принтеры — наиболее активно обсуждаемая в новостях тема ушедшего 2012 года. И интерес к этому изобретению в массах лишь возрастает, поскольку возможности 3D-печати день ото дня лишь совершенствуются.
Главный секрет 3D принтера
Говоря простым языком, 3D-принтер — это специализированный высокоточный станок с ЧПУ (числовым программным управлением). И как утверждают инженеры, в самом изготовлении предметов с помощью станочного оборудования нет ничего необычного, автоматические технологии изготовления предметов давно и успешно используются в массовом производстве примерно с середины прошлого столетия. Фантастический же ореол вокруг 3D-печати возник, по всей видимости, потому, что применяемые для нее устройства в процессе изготовления предмета, не стачивают по старинке «лишние» части заготовок, а воссоздают необходимый предмет «с нуля». В основе работы 3D-принтера лежит технология аддитивной печати, позволяющая получать нужные объекты методом наращивания слоев рабочего материала. Современный 3D-принтер — результат эволюции устройства под названием стереолитограф, разработанного Чарльзом Халлом в 1984-м году.
Пока 3D-принтеры не используются в серийном производстве деталей и предметов, поскольку безнадежно проигрывают любому из станков с ЧПУ в ситуации, когда важнее не уникальность, а скорость изготовления и низкая цена конечного продукта. Ведь традиционные методы производства разрабатывались, совершенствовались и развивались в условиях необходимости получения дешевой «поточной» продукции.
Как работает 3D принтер
Устройство 3D-принтера аналогично устройству любого обычного принтера, печатающего изображения и тексты: у него также имеются печатающая головка и картридж с рабочим материалом, заменяющим чернила струйной и тонер лазерной печати. Некоторые из 3D-принтеров формируют объекты из особого порошка на основе крахмала или гипса, другие используют расплавленный пластик или светоотверждаемый жидкий фотополимер в качестве рабочего материала. Есть и такие, которые «спекают» с помощью электронного или лазерного луча в готовое изделие керамический или металлический порошок.
Независимо от используемой рабочей технологии общий принцип работы 3D-принтеров один. Объект воссоздается в специально отведенном для него пространстве (камере принтера) по существующей компьютерной 3D-модели послойно — с помощью «печатающей» головки, движением которой управляет программа. Из тонких (в десятые и сотые доли микрона) слоев рабочего материала. Закончив построение очередного слоя, головка перемещается на следующий до тех пор, пока объект не приобретет законченную форму.
Возможности 3D печати
3D принтеры могут воссоздавать сложнейшие объекты различной формы, размеров и цвета, используя весьма широкий спектр порошковых материалов — более 100 наименований, и это, разумеется, не предел. Крахмал, гипс, песок, воск, стекло, керамика, полистирол и другие полимеры, резина, нейлон, нержавеющая сталь, цветные (титан, алюминий, кобальт, хром) и благородные (серебро, золото) металлы и их сплавы — с каждым днем возможности 3D-печати только расширяются. Уже сегодня ученые медики экспериментируют с различными биополимерами, способными вывести мировую медицину на новый, поистине невообразимый, уровень.
Технология 3D-печати в настоящее время используется для изготовления уникальных ювелирных изделий, моделирования обуви, в промышленном дизайне, архитектуре и строительстве, в таких областях, как автомобильная, аэрокосмическая и медицинская промышленности, в сфере образования, информационных систем, гражданского строительства и многих других. Сферы применения 3D-печати продолжают расширяться, находится множество неожиданных и оригинальных решений. Одним из возможных направлений развития 3D-технологии может стать ее бытовое использование — например, для быстрого создания некоторых предметов и деталей домашнего быта.
Примеры успешного применения технологии
Платформа 3D-печати более 20 лет находилась в стадии опытного образца, однако стоимость оборудования в последние два-три года уменьшилась в десятки раз, а затраты на создание оригинальных ювелирных изделий резко упали. В ювелирном деле 3D-технологии позволяют создавать украшения гораздо быстрее, чем при использовании традиционных методов производства. А вносить поправки на стадии проектирования — и того проще, теперь для этого достаточно нескольких щелчков мыши.
Сегодня 3D-принтеры находят достойное применение и в науке. Мы многого не знаем о том, как двигались давно вымершие животные, например, динозавры. Как ни странно это звучит, но за последние полтора века в палеонтологии не произошло сколь либо значительных изменений. Применение 3D-печати в этой области знаний уже позволяет не только воссоздавать точнейшие и полноразмерные копии когда-то населявших Землю существ для музейных выставок, но и успешно тестировать механику движений всех этих вымерших видов.
3D-печать пришла и в мир моды, последний пример такого сотрудничества — Voltage collection, которая в конце января 2013 года демонстрировалась на Парижской Неделе моды. Для этой коллекции дизайнером Ирис Ван Херпен (Van Herpen, Koerner and Materialise) было создано несколько платьев потрясающей сложности из нового экспериментального материала. Точность создания кружевной бесшовной структуры невозможно было реализовать иначе, как посредством 3D-печати. Расширение возможностей работы 3D-принтеров с такими пластичными материалами, как полиуретан и резина, позволяют экспериментировать и с другими современными материалами, что неизбежно отражается на тенденциях моды.
Напечатанный на 3D-принтере образец огнестрельного оружия, армейская винтовка AR-15, было успешно протестировано на работоспособность. Создавший и испытавший действующий образец винтовки, разработчик тут же поделился файлами цифровых 3D-деталей оружия с мировым сообществом, выложив их в открытом доступе на одном из сайтов. Этот акт «пацифизма» и то, что подобное оружие невозможно обнаружить металлодетектором, спровоцировал правительство многих стран закрепить запрет на воспроизводство огнестрельного оружия на 3D-принтерах законодательно.
Японцы также нашли весьма оригинальное применение 3D-технологиям, открыв первый в мире 3D-фотостенд. Пройдя быстрое и необременительное 3D-сканирование на стенде, посетитель получает возможность заказать 3D-печать собственной уменьшенной копии или же собственного бюста — чем не оригинальный подарок себе любимому. Взяла на вооружение 3D-технологии и XXX-индустрия, наладив выпуск заказных персонализированных кукол и прочих игрушек из силикона.
Приятным сюрпризом стал представленный в 2012 году фирмой Essential Dynamics 3D-принтер, способный воссоздавать объекты любой сложности из необычных материалов — шоколада и других пищевых ингредиентов. В самом ближайшем будущем предполагается массовый спрос не только на различные съедобные предметы, но и на подобные принтеры.
Потенциал и перспективы использования 3D печати
Современные 3D-принтеры уже не отстают по своим полиграфическим возможностям от принтеров обычных. Так, применение систем из пяти печатающих головок с материалами стандартных цветов позволяет получать полноцветные 3D-объекты с разрешением до 600 dpi (точек на дюйм).
Огромный потенциал 3D-печати замечательно иллюстрирует изготовленный по этой технологии музыкальный инструмент. Первая скрипка, распечатанная на 3D-принтере, была опробована в прямом эфире CNN пятнадцатилетней студенткой, с успехом сыгравшей на ней. Это необычное выступление доказало многим сомневающимся, что с помощью современных технологий 3D-печати можно воссоздать практически любой известный предмет — причем, с сохранением присущих ему свойств и характеристик.
Изобретатель Kai Parthy создал волокно для популярного 3D-принтера RepRap, позволяющее применять технологию для печати древесины. Волокно под кодовым названием LAYWOO-D3 является композитом древесины и специального полимера. Переработанные отходы деревообрабатывающей промышленности и недорогой безвредный пластик стали источником для поистине революционного материала, способного значительно сократить в будущем вырубку лесов — при условии, что технология получит широкое распространение.
Не прекращаются попытки создать 3D-принтеры, способные воспроизводить структурные элементы зданий из бетона и пеноматериалов. Проводятся исследования возможностей быстрой (до 20-ти часов) «печати» жилых сооружений со встроенными сантехническими и электрическими коммуникациями за один непрерывный цикл с использованием больших 3D-принтеров. Рабочие образцы строительных 3D-принтеров уже печатают до 3-х метров сооружений из строительного материала в час, и это не предел. Технологию 3D-печати зданий планируется использовать для автоматизированного возведения мест обитания человека вне Земли. Первые такие внеземные сооружения планируется построить на Луне уже в 2013-2014 годах, причем для «печати» лунных сооружений планируется использовать лишь 10% доставленного с Земли материала, 90% материала составит лунный грунт.
Американское космическое агентство NASA профинансировало грантом в размере 125000 долларов инженера Анджана Контрактора (Anjan Contractor), выделив эти деньги на создание 3D-принтера, который будет способен «печатать» еду для астронавтов в условиях космоса. Смешивая пищевые ингредиенты из картриджей, устройство сможет обеспечить разнообразие рациона космических путешественников во время длительных экспедиций. Первым блюдом, напечатанным на 3D-принтере, станет пицца — благодаря легкодоступным ингредиентам и простой структуре. Программное обеспечение этого принтера будет изначально с открытым исходным кодом, что позволит совершенствовать энтузиастам устройство и создаст возможность обмена рецептами (распечатками) блюд.
Применение «двуфотонной литографии» позволило ученым технологического университета Виенны (The Vienna University of Technology) совершить серьезный прорыв в невероятной детализации трехмерных объектов, печатаемых с нано-точностью. Чуть позже, в 2012 году, группа ученых из университета Глазго в Великобритании на практике доказала возможность использования технологий 3D-печати для создания химических соединений, что приоткрывает нам дверь в мир, в котором можно будет создавать вещи молекула за молекулой.
Исследователями из Вашингтонского государственного университета найден способ «печатать» кости человеческого организма при помощи 3D-принтера. В основе инновации — открытие вещества, по структуре и свойствам близкого к составу костной ткани. Это изобретение может быть использовано как для полного создания протезов костей, так и для поддержания сломанных участков в течение необходимого времени. Существует проект немецких ученых под названием BioRap, нацеленный на создание 3D-принтеров для распечатки различных человеческих органов и кровеносных сосудов. Считается, в ближайшие несколько лет эти технологии станут широко доступными для медработников, в корне решая проблему с дефицитом и отторжением донорских органов.
Организацией Thiel Foundation был анонсирован грант на создание инновационной технологии 3D-печати органических белковых соединений. Последние наработки в области создания живых клеток и тканей планируется объединить с наработками исследователей из Breakout Labs для получения съедобного прототипа мяса, способного стать в недалеком будущем весьма перспективным и к тому же гуманным источником животного белка для мясоедов всего мира.
3D печать — будущее сегодня
Серийные громоздкие 3D-принтеры, совсем недавно стоившие десятки тысяч долларов и обладавшие минимумом возможностей, быстро стали раритетом, их сменили более функциональные, компактные и несравнимо более дешевые модели стоимостью около 1000 долларов США.
На специализированных сайтах, таких как Thingiverse, уже сейчас можно найти в свободном для скачивания доступе десятки тысяч цифровых 3D-моделей различных объектов — порой, невероятных и удивительных. Но, несмотря на это, сфера «домашнего» применения 3D-печати пока ограничивается, в основном, воспроизводством незамысловатых безделушек и малопрактичных игрушек.
На данный момент уже существует огромное количество материалов, которыми способны печатать 3D-принтеры. Причем готовые изделия по физическим свойствам полностью соответствуют оригинальным материалам — керамике, резине, пластику, металлу, стеклу и т.д. Не за горами печать трехмерных объектов с переменными характеристиками материалов, например, с изменяющейся прозрачностью.
Появление 3D-технологий в массовом доступе окончательно ставит под удар копирайт, вызывая немало дискуссий о неизбежности пересмотра границ и ограничений авторского права. Не за горами тот день, когда в подтверждение шутке о недавнем закрытии крупнейшего российского торрент-трекера, можно будет скачать статую Церетели из интернета.
Бре Петтис (Bre Pettis), 40-летний отец-основатель компании MakerBot Industries, производящей самые популярные сегодня домашние 3D-принтеры, говорит о неизбежности дальнейшего совершенствования 3D-технологий, которые, надо заметить, все еще воспринимаются большинством населения как элемент научной фантастики. Возможно, этот процесс займет некоторое время, но ожидаемые результаты того стоят.
Одной из последних новостей из мира 3D-печати стало сообщение о появлении принтера, который способен напечатать сам себя. Печать не просто отдельных деталей, а полноценных устройств с электронной начинкой и всеми необходимыми комплектующими — следующий гигантский шаг в освоении 3D-технологий будущего.
А между тем не так давно первый 3D-принтер был собран детьми, учениками школы The School in Geldermalsen, работавшими над сложными проектами. Вот оно, удивительное будущее — сегодня, и уже очень близко к нам!
Комментарии посетителей