Удивительные технологии, ещё недавно казавшиеся чудом, постепенно становятся обыденными. Знали ли мы ещё лет 10 назад, что практически в домашних условиях с помощью 3D-технологий можно создавать кулинарные шедевры, детали сложных механизмов и вообще изделия любых форм? Сегодня трехмерные процессы внедряются повсеместно. Дошли они и до медицины. К примеру, 3D-биопринтер печатает элементы человеческого скелета и уже ведутся эксперименты по созданию из стволовых клеток донорских органов.
О том, что представляет собой технология 3D-печати и где она используется, расскажем в нашем материале.
Технологии
Процесс создания физических объектов с помощью 3D-технологии начинается с моделирования в САПР или CAD-программе. Готовая модель в формате STL отправляется в 3D-принтер, где реальный объект создается (выращивается) слой за слоем.
Технологий 3D-печати существует множество. Различия между ними заключаются в способе накладывания слоев. Основных типов трехмерной печати четыре: экструдирование (выдавливание расплавленного материала), гранулирование (склеивание или спекание частиц материала), ламинирование (склеивание слоев материала с последующим вырезанием), фотополимеризация (отверждение полимера ультрафиолетовым или лазерным излучением). В отдельный тип выделяется биотехнология, где 3D-биопринтер создает только структуру будущего объекта (например, органа для пересадки). Окончательно же объект формируется путем деления, роста и модификации клеток.
Все типы технологий трехмерной печати разделяются по качеству и стоимости. Несколько слов о наиболее популярных. PolyJet и PolyJetMatrix отличаются гарантированной точностью даже самых мелких деталей. При этом в печати может использоваться очень широкий выбор материалов. FDM – оптимальное решение, если требуется изготовление высокопрочных деталей. SLA сочетает в себе высокую точность микроформ с прочностью материалов. 3DP-технология – это наименьшая себестоимость производства при возможности использовать в печати до 390 000 цветов CMYK. Наконец, MJM – высокоточное микролитьё.
Прочие технологии менее популярны, т. к. либо дороги, либо производят низкокачественный продукт.
3D-принтер и его применение
Аппарат, создающий реальный объект одновременно в трех измерениях. Более научно – послойное выращивание твердой геометрии. Для понимания это обычный 2D-принтер, работающий на плоскости (бумага), только ещё и по оси Z.
Современные 3D-принтеры бывают: домашние, профессиональные и промышленные. Деление происходит в зависимости от их возможностей и области использования. Основные параметры: назначение создаваемого объекта, виды используемых при печати материалов (их физические свойства и цена), возможности цветопередачи, качество конечного продукта.
Для 3D-печати используются разные материалы, от вида которых также зависит к какой категории относится принтер. Самые распространенные – пластик (АБС, PLA), синтетики (полиамид (нейлон), стекловолокно, фотополимеры, поликарбонаты, эпоксидные смолы, воск), металлы (серебро, титан, сталь). Ну и, как уже упоминалось выше, стволовые клетки (в медицине), а также пищевые продукты (в кулинарии).
Если с применением последних всё более-менее ясно – создание протезов, костных материалов, органов в медицине; изготовление кулинарных продуктов любых форм в гастрономии. То область применения пластиковых и металлических деталей, созданных с помощью 3D-принтера, гораздо шире. Чаще всего это: быстрое прототипирование, объектное проектирование, визуализация, функциональное тестирование, проверка собираемости промышленных деталей, микролитье, создание предметов искусства.
С помощью 3D-принтера сегодня создаются как детские игрушки, так и объекты для аэрокосмической деятельности. Основное разрешение трехмерной печати: 600х600х1600 dpi по осям XхYхZ. Максимальная точность: 0,01-0,02 мм на каждый сантиметр. Максимальный размер детали, который можно напечатать без последующего склеивания, составляет 737х1257х1504 мм.
Цены на современные 3D-принтеры не просто разнятся, а имеют очень широкий диапазон: от 4,5 тысяч до 1 миллиона долларов США. Естественно, это зависит от типа используемой системы и её предназначения.
Принцип работы 3D-принтеров такой же, как у обычной 2D-модели: струйный или лазерный.
При лазерном формировании слоев (стереолитография) ультрафиолетовый лазер (лампа) пиксель за пикселем засвечивает жидкий фотополимер. Он затвердевает, превращаясь в очень прочный пластик. Если используется металлический материал, то это называется лазерное сплавление. Применение другой синтетики – это уже ламинирование: деталь, созданная из большого количества слоев, вырезается лазером.
Струйная технология выглядит следующим образом. Раздаточная головка выдавливает материал на охлаждаемую платформу, где он затвердевает. Мельчайшие капли быстро слипаются друг с другом, формируя будущий объект.
Есть и другие подобные технологии. Например, лазерное спекание порошковой основы из бумаги или целлюлозы. Но более подробно говорить о них нет смысла, т.к. принцип их работы всё равно сводится к двум основным: струйной или лазерной.
Обзор моделей
Начнем с наиболее распространенных, создающих детали из пластика и синтетики.
Одним из самых доступных на сегодняшний день трехмерных лазерных принтеров является модель 125ci 3D Printer от компании Desktop Factory. Это «недорогой» (от 4,5 тысяч долларов США) аппарат, имеющий компактные размеры. При этом данный 3D-принтер представляет собой настоящую настольную мастерскую. Способен изготавливать любые детали 
объемом не более 125 кубических дюймов (около 2 литров). Полученные изделия отличаются хорошей прочностью.
Создание объектов происходит с помощью галогенной лампы и светотвердеющего пластика. Причем, в скорости работы эта домашняя модель не уступает аналогам, стоящим как минимум вдвое дороже. Более того, экономия происходит и за счет себестоимости готовых изделий, цена на которые – около 1 доллара США за кубический дюйм.
Для выращивания объектов ультравысокой четкости специалисты рекомендуют модель ProJet HD 3000 3D Production System. Точность изготовления: 0,001-0,002 дюйма. Четкость (помимо стандартного режима) до 800 dpi. Одно плохо – дороговат принтер. Правда, разработчики утверждают, что стоимость на данную модель постепенно снизится до 5 тысяч долларов США. 
Из струйных 3D-принтеров стоит обратить внимание на серию «дешевых» моделей Stratasys Dimension, работающих по технологии FDM. Цены на них держатся на уровне 15-20 тысяч долларов США. Более «продвинутые» FDM-принтеры стоят почти в 10 раз дороже, но к домашним или офисным моделям они не имеют никакого отношения.
Для выращивания объектов с помощью Dimension применяются полистирол АВС или поликарбонат РС. Готовые изделия получаются гладкими и прочными и, хотя, точность изготовления невелика, модели имеют толщину слоя 0,127 мм. Это всё-таки более высокое качество, чем у рядовых FDM-принтеров с толщиной слоя 0,178 мм и более. Правда есть один минус, объединяющий все струйники – медленная скорость работы. Но, NASA рассматривает технологию FDM в качестве «космической технологии», а это уже о чем-то говорит.
Далее поговорим о пищевых 3D-принтерах.
Принцип действия у них почти как у обычного струйного принтера. Только вместо картриджей с жидкими красителями в 3D-принтере применяются пищевые ингредиенты. В его памяти хранится множество рецептов. Для распечатки блюда нужно всего лишь выбрать один из них и нажать кнопку «пуск».
Один из самых известных аппаратов – это пищевой 3D-принтер Digital Chocolatier. Готовит лакомства из шоколада, фруктов, орехов. Принтер состоит из карусели с ингредиентами, приёмной терморегулируемой формочки и пользовательского интерфейса.
Другая интересная модель – 3D-принтер Digital Fabricator. Печатает блюда с точностью до 0,5 мм. Имеет миксер, совмещенный с экструдером, а также может охлаждать или подогревать продукт с помощью лазера. Занятная «фишка» – возможность приема заказов на приготовление по сети Интернет.
Универсальный 3D-принтер Cornell вообще использует в качестве пищевых красок всё, что можно выдавить через кулинарный шприц (сыр, шоколад, тесто и пр.). Умеет готовить самые замысловатые блюда.
Медицинские 3D-принтеры
Говорить о моделях, создающих органы, нет смысла. Во-первых, это аппараты не для широкого применения. Во-вторых, разработки по ним ещё только ведутся. А вот о стоматологических 3D-принтерах рассказать можно.
Изготовление зубных протезов – почти ювелирная работа. Процесс этот очень трудоемкий, а точность требуется даже выше, чем у фрезерного станка. Именно поэтому в эстетической стоматологии всё чаще делают выбор в пользу эффективных 3D-принтеров. Они быстро и точно изготавливают формы для отливки зубов, а также сами зубы и коронки.
Наиболее популярными сегодня моделями стоматологических принтеров являются Solidscape 3Z LAB, Solidscape D76+, ProJet DP 3500 и ProJet DP 3000. Аппараты практически не требуют вмешательства человека в процесс создания объекта. Они имеют отличную скорость и точность изготовления, учитывающую все анатомические особенности ротовой полости пациента.
Находят применение 3D-принтерам и во многих других отраслях: военной промышленности (изготовление элементов оружия), космической отрасли (детали ракетных двигателей), киноиндустрии (производство бутафории) и др. А в Нью-Йорке, кстати, функционирует самая крупная в мире фабрика 3D-печати Shapeways. Всего за сутки она способна произвести любое механическое устройство (даже ракетный двигатель). Работают там, «под заказ». Так что обратиться может каждый желающий.
Владислав Пермин, специально для Equipnet.ru
