3D-принтер: что это и как он работает

В 2011 году принтер, который заправили биогелем, напечатал человеческую почку прямо во время конференции TED. Два года назад Adidas анонсировала новую модель кроссовок, которые печатают на 3D-принтере за 20 минут. А недавно компания Илона Маска SpaceX успешно провела испытания двигателей космического корабля, которые тоже напечатали на 3D-принтере.

В современном мире 3D-печать — это не удивительная технология будущего, а хорошо изученная реальность. Ее применяют в архитектуре, строительстве, медицине, дизайне, производстве одежды и обуви и других сферах. По запросу «3D-принтер» поисковики выдают сотни чертежей и прототипов разной сложности — от мыльницы и настольной лампы до автомобильного двигателя и даже жилого дома. 

Любой может купить принтер и напечатать чехол для смартфона, но дальше 3д печати по чертежу идут не все. В этой статье расскажем, когда появилась 3D-печать, как можно применять технологию и какие у нее перспективы.

Как появился трехмерный принтер

Не будем слишком утомлять вас датами и кратко перескажем историю 3D-печати.

Предвестник трехмерной печати. В начале 80-х доктор Хидео Кодама разработал систему быстрого прототипирования с помощью фотополимера — жидкого вещества на основе акрила. Технология печати была похожа на современную: принтер печатал объект по модели, послойно. 

Первый 3D-принтинг. Изготовление физических предметов с помощью цифровых данных продемонстрировал Чарльз Халл. В 1984 году, когда компьютеры еще не сильно отличались от калькуляторов, а до выхода Windows-95 было десять лет, он изобрел стереолитографию - предшественницу 3D-печати. Работала технология так: под воздействием ультрафиолетового лазера материал застывал и превращался в пластиковое изделие. Форму печатали по цифровым объектам, и это стало бумом среди разработчиков — теперь можно было создавать прототипы с меньшими издержками. 

Первый 3D-принтер. Источник: habr

Первый производитель 3D-принтеров. Через два года Чарльз Халл запатентовал технологию и открыл компанию по производству принтеров 3D Systems. Она выпустила первый аппарат для промышленной 3D-печати и до сих пор лидирует на рынке. Правда, тогда принтер называли иначе — аппаратом для стереолитографии.

Популярность 3D-печати и новые технологии. В конце 80-х 3D Systems запустила серийное производство стереолитографических принтеров. Но к тому времени появились и другие технологии печати: лазерное спекание и моделирование методом наплавления. В первом случае лазером обрабатывался порошок, а не жидкость. А по методу наплавления работает большинство современных 3D-принтеров. Термин «3D-печать» вошел в обиход, появились первые домашние принтеры.

Революция в 3D-печати. В начале нулевых рынок раскололся на два направления: дорогие сложные системы и те, что доступны каждому для печати дома. Технологию начали применять в специфических областях: впервые на 3D-принтере напечатали мочевой пузырь, который успешно имплантировали.

Печать тестового образца почки. Источник: BBC

В 2005 году появился первый цветной 3D-принтер с высоким качеством печати, который создавал комплекты деталей для себя и «коллег».

Как устроен 3D-принтер

В основном принтеры трехмерной печати состоят из одинаковых деталей и по устройству похожи на обычные принтеры. Главное отличие — очевидное: 3D-принтер печатает в трех плоскостях, и кроме ширины и высоты появляется глубина. 

Вот из каких деталей состоит 3D-принтер, не считая корпуса:

• экструдер, или печатающая головка — разогревает поверхность, с помощью системы захвата отмеряет точное количество материала и выдавливает полужидкий пластик, который подается в виде нитей; 
• рабочий стол (его еще называют рабочей платформой или поверхностью для печати) — на нем принтер формирует детали и выращивает изделия;
• линейный и шаговый двигатели — приводят в движение детали, отвечают за точность и скорость печати;
• фиксаторы — датчики, которые определяют координаты печати и ограничивают подвижные детали. Нужны, чтобы принтер не выходил за пределы рабочего стола, и делают печать более аккуратной;
• рама — соединяет все элементы принтера.

Схема 3D-принтера. Источник: Lostprinters

Все это управляется компьютером.

Как создают изделия

За создание трехмерного изделия отвечает аддитивный процесс 3д-печати — это когда при изготовлении предмета слои материала накладываются друг на друга, снизу вверх, пока не получится копия формы в чертеже. Так печатают изделия из пластика. А фотополимерная печать работает по технологии стереолитографии (SLA): под воздействием лазерного излучателя фотополимеры затвердевают. Кроме пластика и фотополимерных смол, современные 3D-принтеры работают с металлоглиной и металлическим порошком. 

Печать состоит из непрерывных циклов, которые повторяются один за другим — на один слой материала наносится следующий, и печатающая головка двигается, пока на рабочей поверхности не окажется готовый предмет. Отходы печати принтер сам удаляет с рабочего стола.

Как работает 3D-чертеж

Принтер печатает изделие по 3D-чертежу: его создают на компьютере в специальной программе, затем сохраняют в формате STL. Этот файл выводят в программу резки для принтера — она помогает задать модели физические свойства изделия, например плотность. Далее программа преобразует модель в инструкцию для экструдера и выгружает ее на принтер, который начинает печатать изделие.

3D-чертеж легко сделать в домашних условиях — почитайте инструкцию на habr. 

Как запрограммировать 3D-принтер

Краткая инструкция по настройке принтера:

1. Выбрать 3D-модель. Изделие можно нарисовать самому в специальном CAD-редакторе или найти готовый чертеж — в интернете полно моделей разной сложности.
2. Подготовить 3D-модель к печати. Это делают методом слайсинга (slice — часть). К примеру, чтобы распечатать игрушку, ее модель нужно с помощью программ-слайсеров «разбить» на слои и передать их на принтер. Проще говоря, слайсер показывает принтеру, как печатать предмет: по какому контуру двигаться печатной головке, с какой скоростью, какую толщину слоев делать. 
3. Передать модель принтеру. Из слайсера 3D-чертеж сохраняется в файл под названием G-code. Компьютер загружает файл в принтер и запускает 3д-печать.
4. Наблюдать за печатью.

Можно ли применять напечатанные изделия

Зависит от качества материала, принтера и конечного изделия. Часто домашние принтеры неточно передают форму и цвет предмета. Изделия из пластика нужно дополнительно обработать: иногда они печатаются с заусенцами и дефектами и почти всегда с ребристой поверхностью. 

Изделие после и до обработки. Источник: 3D-Today

Для обработки поверхности есть несколько способов — не все подходят для домашнего применения:

• механическая обработка — шлифовка вручную, срезание заусенцев;
• химическая — погружение в ацетон, пескоструйная обработка, нанесение спецраствора кисточкой. 

Что можно напечатать на 3D-принтере

В интернете полно подборок с инструкциями для печати 3D-изделий. 3D-Today публикует фотографии работ владельцев принтеров, от мелких запчастей до скульптур. На «Хабре» уже три года назад постили список «50 крутых вещей для печати на 3D-принтере». Make3D написали о более масштабных проектах — печати автомобилей, оружия, солнечных батарей и протезов.

Есть ряд перспективных областей, в которых уже применяют 3D-печать.

Изготовление моделей по собственным эскизам. Константин Иванов, создатель сервиса 3DPrintus, в интервью «Афише» рассказал, что 3D-печать приведет к расцвету customizable things: любой сможет собрать и распечатать нужное изделие онлайн. Например, сделать модель робота и заказать его печать на промышленном принтере, создать и распечатать свой дизайн обручальных колец или обуви. Примеры таких проектов — Thinker Thing и Jweel. 

Быстрое прототипирование. Самая популярная область, в которой используют трехмерную печать. На 3D-принтерах делают тестовые модели протезов, прототипы лечебных корсетов, барельефов, олимпийского снаряжения.

Прототипы детских протезов, 3D-печать. Источник: 3D-Pulse

Сложная геометрия. 3D-принтер легко справляется с изготовлением моделей любой формы. Несколько примеров:

— в австралийском университете исследовали возможности 3D-принтера и напечатали табурет в форме отпечатка пальца;

— шеф-повар из Дании победил в конкурсе высокой кухни: он напечатал на 3D-принтере миниатюрные блюда сложной формы из морепродуктов и свекольного пюре;

Одно из победивших блюд шеф-повара. Источник: 3D-Pulse

— в немецком институте разработали систему для ускоренной 3D-печати — за 18 минут принтер изготавливает сложное геометрическое изделие высотой в 30 см. Обычно у принтеров уходит час на печать карманных фигурок.

Технологии 3D-печати 

Кратко об основных методах 3D-принтинга.

Стереолитография (SLA). В стереолитографическом принтере лазер облучает фотополимеры, и формирует каждый слой по 3D-чертежу. После облучения материал затвердевает. Прочность изделия зависит от типа полимера — термопластика, смол, резины. 

Цветную печать стереолитография не поддерживает. Из других недостатков — медленная работа, огромный размер стереолитографических установок, а еще нельзя сочетать несколько материалов в одном цикле.

Эта технология — одна из самых дорогих, но гарантирует точность печати. Принтер наносит слои толщиной 15 микрон — это в несколько раз тоньше человеческого волоса. Поэтому с помощью стереолитографии делают стоматологические протезы и украшения. 

Промышленные стереолитографические установки могут печатать огромные изделия, в несколько метров. Поэтому их успешно применяют в производстве самолетов, судов, в оборонной промышленности, медицине и машиностроении. 

Селективное лазерное спекание (SLS). Самый распространенный метод спекания порошковых материалов. Другие технологии — прямое лазерное спекание и выборочная лазерная плавка.

Метод изобрел Карл Декарт в конце восьмидесятых: его принтер печатал методом послойного вычерчивания (спекания). Мощный лазер нагревает небольшие частицы материала и двигается по контурам 3D-чертежа, пока изделие не будет готово. Технологию используют для изготовления не цельных изделий, а деталей. После спекания детали помещают в печь, где материал выгорает. SLS использует пластик, керамику, металл, полимеры, стекловолокно в виде порошка.

На атлете — кроссовки New Balance, которые изготовили с помощью лазерного спекания. Источник: 3D-Today

Технологию SLS используют для прототипов и сложных геометрических деталей. Для печати в домашних условиях SLS не подходит из-за огромных размеров принтера.

Послойная заливка полимера (FDM), или моделирование методом послойного наплавления. Этот способ 3d-печати изобретен американцем Скоттом Крампом. Работает FDM так: материал выводится в экструдер в виде нити, там он нагревается и подается на рабочий стол микрокаплями. Экструдер перемещается по рабочей поверхности в соответствии с 3D-моделью, материал охлаждается и застывает в изделие. 

Преимущества — высокая гибкость изделий и устойчивость к температурам. Для такой печати используют разные виды термопластика. FDM — самая недорогая среди 3D-технологий печати, поэтому принтеры популярны в домашнем использовании: для изготовления игрушек, сувениров, украшений. Но в основном моделирование послойным наплавлением используют в прототипировании и промышленном производстве — принтеры довольно быстро печатают мелкосерийные партии изделий. Предметы из огнеупорных пластиков изготовляют для космической отрасли. 

Струйная 3D-печать. Один из первых методов трехмерной печати — в 1993 году его изобрели американские студенты, когда усовершенствовали обычный бумажный принтер, и вскоре технологию приобрела та самая компания 3D Systems. 

Работает струйная печать так: на тонкий слой материала наносится связующее вещество по контурам чертежа. Печатная головка наносит материал по границам модели, и частицы каждого нового слоя склеиваются между собой. Этот цикл повторяется, пока изделие не будет готово. Это один из видов порошковой печати: раньше струйные 3D-принтеры печатали на гипсе, сейчас используют пластики, песчаные смеси и металлические порошки. Чтобы сделать изделие крепче, после печати его могут пропитывать воском или обжигать.

Предметы, которые напечатали по этой технологии, обычно долговечные, но не очень прочные. Поэтому с помощью струйной печати делают сувениры, украшения или прототипы. Такой принтер можно использовать дома. 

Эти конфеты сделали на кондитерском струйном 3D-принтере ChefJet: вместо пластика он использует воду, сахар, шоколад и пищевые красители. Источник: 3Dcream.ru

Еще струйную технологию используют в биопечати — наносят живые клетки друг на друга послойно и таким образом строят органические ткани. 

Где применяют 3D-печать

В основном в профессиональных сферах.

Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.

Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере. 

Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.

Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет. 

Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.

Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит. 

Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.

Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах

Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.

Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования». 

А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.