3d принтеры и их возможности

История появления 3D принтера

В 1980 году японец Хидео Кодама, доктор исследовательского института в Нагое, занялся способами послойной объемной печати моделей (прототипированием). В этом году он опубликовал статью «Трехмерное отображение данных путем автоматической подготовки трехмерной модели», описавшей его эксперименты.

В еще одной публикации Кодама представил способ автоматического изготовления трехмерной пластиковой деталей с фотоупрочнением. Практически в публикации был описан принцип действия 3D принтера: использования для получения моделей фотополимеров, применение лазерного излучения для их отверждения, последовательность нанесения слоев. Кодама подал заявление для регистрации изобретения, но патент так и не получил, потеряв, таким образом, право претендовать на первенство в изобретении технологии 3Д печатания.

В 1984 году французские ученые Ален Ле Меают, Оливье Де Витте и Жан Клод Андре подали заявку на регистрацию системы быстрого прототипирования способом стереолитографии – послойного нанесения отверждаемых лазером полимеров. Заявка была отклонена после ее изучения крупными французскими компаниями виду «отсутствия перспективы применения».

Через две недели американец Чак Халл обратился за патентом на разработанную им систему стереолитографического моделирования, в которой слои добавлялись способом отверждения ультрафиолетовым лазером жидких фотополимеров. Патент был выдан Халлу в 1986 году. Изобретатель учреждает фирму (ныне «3D Systems») по выпуску своих систем. Это и были первые принтеры 3D печатания, выполненные по схеме SLA (от англ. laser stereolithography). Еще одной заслугой Халла стало применение G-кода, позволявшее печатать итоговый продукт заданной формы.

В конце 80-х годов патентуются еще два способа быстрого прототипирования: система селективного лазерного спекания (SLS) американца Карла Декарда и моделирование методом наплавления (FDM), автором которого стал американец Скотт Крамп. Способ SLS заключается в послойном спекании металлического или пластикового порошка под воздействием лазерного излучения по форме будущей детали. При использовании метода FDM разогретый пластик — то, чем – наносится печатной головкой на предыдущий слой.

Приведенные способы являются базовыми, на них основывается большинство технологий объемной печати. Подробнее они будут рассмотрены ниже, а теперь несколько слов о зигзагах технического прогресса.

Люди удивляются, узнав, что объемная печать развивается уже более 30 лет. Они уверены, что это — техническое достижение нашего века, а не прошлого.

Дело в том, что владельцами патентов на базовые технологии прототипирования стали 3 человека : Чак Халли, Карл Декард и Скотт Крамп. Причем Карл Декард продал свой патент в 2001 году Чаку Халли. Компании, нацеленные на потребительский рынок, не смогли (или не захотели) найти способы договориться с владельцами прав. В связи с этим, длительное время производились в основном дорогие промышленные агрегаты.

Все изменилось после 2010 года, когда сроки патентов истекли, и первые массовые печатные устройства поступили в продажу. Люди стали интересоваться, что такое 3D печать.

Увидев же, что , многие захотели приобрести такое устройство. Рынок отреагировал быстро. Сейчас происходит его быстрое насыщение, поэтому и цены снижаются.

Настоящее: сферы применения 3D-печати

Медицина

Одно из самых быстроразвивающихся направлений 3D-печати – медицина. В 2011 году произошел триумф в регенеративной медицине: принтер, заправленный биогелем со стволовыми клетками, «напечатал» за 3 часа человеческую почку. Хотя до трансплантации органов ещё далеко, ученые уже сейчас разрабатывают технологии для пересадки выращенных с помощью 3D-печати кровеносных сосудов, органов брюшной полости, кожи.

Сегодня во всём мире, в том числе и в  России, успешно имплантируются напечатанные на 3D-принтере элементы человеческого скелета – кости, суставы, зубы. В НИИ травматологии и ортопедии Санкт-Петербурга благополучно применяют эндопротезирование утраченных конечностей и суставов, а в Новосибирском НИИ им. Н.Я. Цивьяна проводят  операции по замещению черепных костей с помощью аддитивных технологий, возвращая к полноценной жизни детей и взрослых.

Строительство

Строительство с помощью 3D-печати составляет серьёзную конкуренцию традиционным подходам. Объединенные Арабские Эмираты, Тайланд, Китай и Россия уже сегодня используют современные мобильные принтеры для печати домов прямо на месте их расположения.

Метод печати тот же, что и в других сферах применения, – послойное экструдирование (производство путем продавливания вязкого материала через формующие отверстия). В качестве материала используются цемент, строительный мусор, бывшие в употреблении стройматериалы, стекловолокно и др. Технология работает по принципу строительного крана, возводящего стены из смеси бетона и связующих материалов.

Если говорить о рациональности данного метода строительства, то стоимость материалов и время работы в разы ниже, а отсутствие прорабов и бригад сокращает финансовые затраты на человеческий труд. Более того, данная технология обеспечивает жильем людей с крайне низким уровнем дохода.

Трудно переоценить перспективы быстрого возведения экономичного жилья оригинальных архитектурных форм как в перенаселенных городах, так и в труднодоступных уголках планеты.

Быт

Принтеры с технологией 3D-печати постепенно осваивают сферы производства продуктов питания, одежды, обуви, уникальных сувениров, игрушек, мебели – всего того, что используют люди в повседневной жизни.

Для печати бытовой продукции широкого спектра человеку понадобится лишь принтер и различные материалы к нему.

Пищевой 3D-принтер заправляется картриджами с ингредиентами и готовит самые изысканные многокомпонентные блюда по рецептам, хранящимся на карте памяти.

Одежда и обувь, напечатанные на 3D-принтере, уже демонстрировались на показах мод. Совсем скоро можно будет покупать выкройки и печатать себе платья и джинсы, не выходя из дома. К готовому изделию можно напечатать уникальные декоративные дополнения, чтобы придать индивидуальность фабричному продукту.

Материалы, используемые для трехмерной печати

1. АВС-пластик – данное название является упрощенным вариантом, так как химики именуют данное вещество акрилонитрилбутадиенстиролом. Такой материал отличается высокой прочностью и достаточным уровнем эластичности. В сфере трехмерной печати широко применяется порошковая смесь из АВС-пластика, когда объемные изделия выполняются методом заливки экструдируемого расплава. Пластик для 3D принтера является одним из наиболее долговечных производственных материалов, но под воздействием солнечных лучей он быстро разрушается. Такой материал совершенно не подходит для воссоздания прозрачных предметов. Пластик для 3D принтера купить можно в специализированных магазинах или заказать через интернет.

Поликапрлактон – считается одним из наиболее перспективных и востребованных материалов для трехмерной печати. Он может применяться в нескольких технологиях: избирательное лазерное спекание, заливка экструдируемым расплавом и др. Отличительной особенностью данного вещества можно считать невысокую температуру плавления, которая успешно сочетается с достаточно высокой скоростью затвердевания. Более того, его химический состав не приносит абсолютно никакого вреда человеческому организму и отличается небывалой ударопрочностью.

Полиэтилен низкого давления – такое вещество уже давно по праву считается одним из наиболее популярных типов пластмассы во всем мире, именно поэтому нет ничего удивительного в том, что разработчики трехмерных принтеров нашли ему применение в этой сфере. Все мы знаем, как выглядит полиэтиленовый пакет, пластмассовая бутылка и другие предметы из пищевой пластмассы. Всё это полиэтилен низкого давления, который на сегодняшний день является один из признанных лидеров в сфере объемной печати. Еще одним фактором, который способствует такому широкому применению данного вещества, является то, что он подходит для любой технологии объемной печати. Лишь немногие материалы обладают такими же универсальными свойствами, но преимуществом полиэтилена является его низкая стоимость.

Медицина

Самое перспективное направление для 3D-печати в целом – это штучное или мелкосерийное производство. Если ширпотреб проще и дешевле отливать и штамповать, то кастомизированные изделия выгоднее печатать, ведь 3D-печать позволяет перейти от цифровой модели непосредственно к производству, не требуя изготовления дорогостоящей оснастки. Иногда же без штучного производства просто не обойтись. Отличным примером служат детские протезы, которые необходимо постоянно менять по мере роста ребенка. Идея протезирования получила широкое распространение по всему миру, причем некоторые вполне способные механические версии обходятся всего в 50 долларов, тогда как привычные индивидуальные протезы могут стоить все 50 000 долларов. Наиболее известным отечественным проектом в этом направлении стала компания Can Touch, основанная Владимиром Румянцевым при поддержке команды W.E.A.S. Robotics. На помощь дизайнерам приходят 3D-сканеры, используемые для получения трехмерного рисунка конечности. Затем протез печатается под полученные размеры и очертания. В последнее время компания использует профессиональные 3D-принтеры ради более высокого качества поверхностей, однако вполне функциональные и очень дешевые версии можно получить с помощью бытовых печатающих устройств.

Но протезы – всего лишь начало.

Существует в аддитивном производстве специальное направление, именуемое биопечатью. Суть его состоит в 3D-печати трехмерных структур живыми клетками и биоразлагаемыми материалами, служащими каркасом, или «матриксом», для клеточной массы. Само собой, вырастить клеточную массу можно и в пробирке, но вот создать полностью функциональный орган из нескольких тканей и с сетью кровеносных сосудов, да еще и пригодный для пересадки, сможет только биопечать. Работы в этом направлении уже ведутся, хотя сложные органы получить пока не удалось. Самым продвинутым примером можно считать эксперименты российской компании 3D Bioprinting Solutions, напечатавшей щитовидную железу, которая затем была успешно имплантирована подопытной мышке.

Иногда же для того, чтобы спасти жизнь, совсем не обязательно печатать новый орган. Можно починить уже имеющийся. Ярким примером стала операция, проведенная хирургами Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета. Врачам пришлось спасать младенца, рожденного со сложным дефектом сердца. Для того чтобы разобраться в структуре порока, врачи напечатали точную модель сердца по томографическим снимкам и поработали все детали перед тем, как приступить к двум сложным операциям. Завершилась история благополучно: мальчик пошел на быстрое выздоровление.

Как пользоваться 3D принтером

Создание трехмерных моделей не представляет сложности даже для начинающих пользователей, поскольку процесс выполняется автоматически и состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим до тех пор, пока на рабочей поверхности не появится готовое изделие. Однако печать объекта – это лишь одно из звеньев сложной цепи, составляющих полный цикл производства 3D-модели. На самом деле, все начинается с ее разработки.

Подготовка

Каждый трехмерный объект принтер печатает строго по 3D-чертежу. Его можно создать самостоятельно на компьютере с помощью специальных программ, именуемых CAD-редакторами или САПР (Системами автоматизированного проектирования). Наиболее популярными на сегодняшний день считаются:

• AutoCAD;
• Blender;
• FreeCad;
• OpenSCAD;
• GoogleSketchUp.

Рисовать модели самому совсем необязательно. В качестве альтернативы можно заняться поиском готовых вариантов, благо на различных интернет-ресурсах можно найти и скачать схемы всевозможных чехлов, крючков и даже квадроциклов. Если способности к проектированию отсутствуют, а необходимую модель отыскать не удалось, есть возможность заказать ее у профессионалов.

Создание объекта

Начинать разработку рекомендуется с несложных моделей. Для этих целей лучше всего подойдут простейшие геометрические фигуры, например, пирамида. Процесс будет выглядеть следующим образом.

• Разработать объемный чертеж (модель) и сохранить в формате STL.
• Обработать его с помощью программы-слайсера, то есть нарезать на слои, в соответствии с которыми будет выкладываться пластик.
• Подготовленный 3D-чертеж сохранить в файл под названием G-code, загрузить его в принтер и запустить печать.
• В результате устройство получает необходимую инструкцию, в которой помимо нарезанной на слои модели обозначен контур движения печатающей головки, указана скорость печати и толщина каждого слоя.
• Подготовленную модель можно загрузить на принтер с компьютера через Wi-Fi, с помощью SD-карты или посредством USB-носителя.

Большинство принтеров, предназначенных для домашнего применения, отличаются понятным интерфейсом, и не вызывают сложностей с запуском процесса. Поскольку цикл изготовления изделия полностью автоматизирован, пользователю останется только включить устройство и наблюдать за процессом печати.

Устранение ошибок

Пробная печать первых изделий на 3D-принтере – процесс волнительный и увлекательный, поскольку новая вещь создается прямо на глазах и буквально «из ничего». Однако даже опытный пользователь не застрахован от появления разного рода ошибок.

Окончательная обработка

Изделия, распечатанные на FDM-принтере, всегда имеют фактурную, неровную и слегка шероховатую поверхность, что обусловлено послойной технологией их производства. Созданные на фотополимерном оборудовании предметы получаются более гладкими, но и они далеки от идеала. Следовательно, все без исключения модели нуждаются в постобработке.

• Механический. Он предполагает ошкуривание наждачной бумагой или шлифовальной губкой. Из-за трудоемкости процесса подходит для предметов, не имеющих мелких деталей. Добиться глянцевой поверхности вряд ли удастся, но убрать слоистость поможет. А если изделие загрунтовать и покрыть лаком, оно приобретет аккуратный вид.
• Химический. Допускает применение таких растворителей, как дихлорэтан и ацетон. Первый подходит для обработки PLA, второй – для ABS.Из-за высокой токсичности веществ необходимо соблюдать меры безопасности: работу выполнять в перчатках и маске на открытом воздухе либо в хорошо проветриваемом помещении. Для выравнивания поверхности химическим способом следует пользоваться кистью с натуральным ворсом, набирать минимум вещества и наносить его быстрыми движениями.
• Смешанный. При таком методе растворитель необходимо наносить чистой белой тканью из натуральных волокон и полировать поверхность круговыми движениями до появления желаемой гладкости.

Существует еще один вариант постобработки – воздействие на изделие парами растворителя. Однако подобный метод считается высокотоксичным, и к применению в домашних условиях запрещен.

3д-печать в России, Беларуси и СНГ

По некоторым данным первые разработки в области аддитивных технологий на просторах СНГ, начались еще в прошлом веке – во времена существования СССР. Однако первые, более-мене заметные успехи в этой области стали появляться лишь во второй половине первого десятилетия века двадцать первого.

На сегодняшний день лидером в области освоения и применения технологии 3d-печати в СНГ, вполне ожидаемо, является Российская Федерация. Именно здесь сконцентрировано подавляющее большинство национальных разработчиков технологических решений, оборудования и материалов.

При этом, свое успехи в области объемной печати есть и в других странах бывшего СССР. В частности в Республике Беларусь есть собственные, хоть и мелкосерийные, разработчики и производители оборудования (в том числе, 3d-принтеров профессионального класса), а также производители  расходных материалов (преимущественно, на полимерной основе) и разработчики технологических решений.

Что же касается вопросов практического применения 3д-печати в повседневной жизни, бизнесе и образовании, то тут можно констатировать в целом одинаковую и вполне развитую (учитывая “возраст” индустрии) ситуацию практически по всем странам постсоветского пространства. Помимо России и Беларуси, 3д-печать, как инструмент для ведения бизнеса, осуществления проектирования или обучения школьников и студентов вполне активно применяется в Украине, Азербайджане и Казахстане.

3DP оборудование

Практическая реализация любой из известных технологий осуществления 3D-печати предполагает использование специализированного и вспомогательного оборудования. Ключевую роль при этом, что понятно, играют 3д-принтеры, непосредственно осуществляющие 3д-печать. При этом, заметную руль играют также 3д-сканеры, позволяющие сравнительно быстро получить объемную модель объекта, а также персональные компьютеры, на которых (помимо прочего) осуществляется создание и редактирование 3D-моделей.

3D-принтеры

Основная статья: 3d-принтер

3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по заданной цифровой 3D-модели. На сегодняшний день различают два типа оборудования: домашний и профессиональный.

При этом, 3д-принтер профессионального класса от оборудования для “домашнего” использования отличают стабильные размеры получаемых изделий, повышенная производительность и качество прототипирования.

Перспективы и возможности 3D принтеров в медицине

Долгие годы медицинских исследований привели к тому, что Институт регенеративной медицины Уик Форест начал применять трехмерную печать для воссоздания человеческих тканей. Оказывается, струйные 3D принтеры способны вырастить настоящие человеческие органы, если вместо пластмассы АВС их заправить биоматериалом (живыми клетками). С этой разработкой стремительное развитие сферы клонирования живых организмов стало еще более реальным, чем раньше. Данный биопринтер еще должен был пройти массу всевозможных тестов и анализов, ведь пересаживать человеку «напечатанную» почку или печень было бы неразумно и слишком рискованно без тщательной проверки.

Результатом кропотливой и усердной работы ученых стал трехмерных принтер под названием «TED 2011», который был представлен публике осенью 2011 года. Удивляет простота технологии его работы, так как она слишком сильно напоминает самый простой струйный принтер. Знакомые нам всем чернила были заменены стволовыми клетками человеческого или животного происхождения. У некоторых людей может создаться впечатление, что собрать подобный 3D принтер своими руками не составить особого труда, но всё совсем наоборот. Каждая мельчайшая деталь играет очень важную роль, так как любое неверное движение или изменение температуры может поставить под угрозу ту или иную операцию.

Обзор 3D принтеров медицинского назначения показывает, что их возможности практически безграничны. С помощью такого оборудования можно в кратчайшие сроки производить на свет практически любую ткань человеческого организма, включая кожные покровы и слизистые оболочки. Что касается хрящей и позвоночных дисков, то даже такие сложные композиции и суставы можно вырастить с помощью соответствующего биоматериала. Тестирование органов, которые были воссозданы с помощью медицинского 3D принтера, также увенчались успехом. 3D принтер бизнес и здесь нашел своё полноценное место.

Применение данного устройства на практике заключается в том, что больной человеческий орган поддают всем необходимым анализам и сканированиям с самых разных сторон для получения полной картины. Полученные данные помещаются в мозговой центр трехмерного печатающего устройства, а в рабочую камеру принтера загружают соответствующий образец биоматериала. Всего через несколько часов такой аппарат выращивает здоровый полноценный орган со всеми его составляющими системами и сосудами.

Результаты последующих медицинских тестов поражают воображение даже самых опытных врачей. Например, ученым удалось воссоздать репродуктивные органы кроликов. Эксперимент не завершился на этом, так как выращенные органы вскоре были вживлены исследуемым животным. Оказалось, что искусственные образцы обладают всеми необходимыми функциями, поэтому кролики снова смогли спариваться. Очередным экспериментом, поразившим человечество, стало искусственно созданное сердце крысы, которое не только вернуло к жизни бедное животное, но и обеспечило его полноценным здоровьем. Также известно о человеческом мочевом пузыре, который был успешно воспроизведен с помощью 3D принтера.

Медики планируют применять подобные устройства для заживления ран, ожогов и других серьезных повреждений прямо на теле пациента. Ножевые и огнестрельные ранения больше не будут такими страшными, так как процесс выздоровления такого больного будет намного быстрее и эффективнее. Трехмерному принтеру достаточно будет лишь немного просканировать ранение или поврежденный орган, чтобы вскоре выдать необходимую порцию биоматериала и заполнить свежие раны.

Человечество просто не может не радовать такой удивительный 3D принтер, выставка подобных рабочих моделей ежегодно пополняется новыми устройствами с еще лучшими возможностями. Ученые пророчат большое будущее компактным персональным устройствам, ведь такой 3D принтер купить сможет практически каждый из нас. Речь идет о том, что напечатать на 3D принтере можно будет всё, что угодно. С медицинской же точки зрения такой аппарат станет незаменимым для домашнего заживления ран той или иной сложности.

Как обустроить чудо: технологии, оборудование и материалы для 3d печати

Если перспективы создания бизнеса на основе использования 3d печати кажутся вам довольно привлекательными, значит, самое время заняться изучением матчасти.

Все 3d принтеры классифицируются по применяемой технологии печати. Вообще, существует множество технологий 3d печати. В принципе, любой процесс, при котором предмет создаётся слой за слоем, формально можно считать 3d печатью. Даже выполнение маникюра несколькими слоями разноцветного лака. Соответственно, материалы при этом тоже используются абсолютно разные: пластики, металлы, бумага, гипс, песок и даже шоколад. В общем, что только не используется. Но технологий, которые уже сейчас можно применить для построения бизнеса, гораздо меньше. Основных, например, всего три. Следовательно, классов «бизнесовых» принтеров тоже три: SLA, SLS и FDM принтеры.

Таблица: основные технологии 3d печати

Абсолютным лидером по соотношению цена-качество среди «домашних» принтеров сегодня являются FDM устройства.

FDM принтер — наиболее простое по конструкции и используемой технологии устройство для 3d печати, главными элементами которого являются платформа, экструдер и нить используемого пластика

Пластиков для 3d печати на FDM принтере в настоящее время существует внушительное количество. Они разнятся как по характеристикам и сферам применения, так и по требующимся от пользователя навыкам.

Таблица: наиболее популярные марки пластика для 3d печати

Наиболее распространёнными являются пластики марок ABS и PLA. Они выпускаются в неограниченном количестве цветов и в нескольких специальных вариантах: флуоресцентном, люминесцентном, токопроводящем, гибком и полупрозрачном. В общем, такой набор позволит воплотить любую причудливую идею и удовлетворит самый изысканный вкус.

Пластики для 3d печати отличаются широким разнообразием цветов и оттенков

Определившись с типом оборудования и материалами, можно перейти к расчёту экономической части.