Что из себя представляет 3D-печать в 2021 году

Технология 3D-печати изменила процесс производства всего, что нас окружает. От детской игрушки и одежды до протезов, имплантов и т.д.

Процесс трехмерной печати также известен как аддитивное производство. Если говорить простым языком, то компьютерная программа говорит принтеру, где укладывать тонкие слои материала, которые постепенно превращаются в твердотельный объект.

Виды и процессы технологий 3D-печати

Первые упоминания о технологии 3D-печати появились в конце 1980-х годов. Они назывались технологиями быстрого прототипирования. Это название связано с процессом, который был задуман как быстрый и более экономичный метод создания прототипов при разработке продукции. Самая первая патентная заявка на данную технологию была подана доктором Хидео Кодамой (Hideo Kodama) в мае 1980 года. Но, к сожалению для изобретателя, полная патентная спецификация не была представлена до истечения годичного срока после подачи заявки. Кодама использовал ультрафиолетовый свет для отверждения пластика и создания объекта по аддитивной технологии.

Годами позже американец Скотт Крамп (Scott Crumb) разработал самый распространённый на сегодня тип 3D-печати - FDM (Fused deposition modeling). Данная технология расшифровывается как моделирование методом наплавления. Для этого типа характерно то, что термопластичный материал нагревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло слой за слоем.

Чарлз Халл (Charles Hull), сооснователь компании 3D Systems, был одним из изобретателей технологии 3D-печати, известной как стереолитография. В основе технологии лежат фотохимические процессы.

Но Кодама, Крамп и Халл были не единственными разработчиками методов 3D-печати.


3D принтер WINBO в Студии дизайна Art-Up

Вот некоторые другие типы 3D-печати, которые используются сегодня:

• FDM (Fused Deposition Modeling) однозначно самый распространённый на сегодня метод производства деталей и прототипов из термопластов. Основан на расплавлении филамента в сопле с его последующей укладкой слоями. Также это самый экономичный способ трехмерной печати ввиду доступности широкого спектра термопластичных материалов с различными техническими характеристиками, позволяющими генерировать как функциональные детали прототипов механизмов и объёмных корпусов, так и любые свободные пространственные декоративные формы.
• SLA (Stereo Lithography Apparatus) основана на послойном отверждении жидкого фотополимерного материала под действием УФ-изучения. Может печатать объекты из нескольких цветов и материалов с различными физическими свойствами, включая резиноподобные детали. Высокая точность печати данного метода делает его более дорогим и не оптимальным для простых пластиковых конструкций.
• DLP (Digital Light Processing) отверждает полимеры при помощи светового проектора, а не ультрафиолетового лазера. Это позволяет создавать целый слой за одну засветку, увеличивая, таким образом, скорость изготовления.

Металлы тоже имеют свои собственные методы 3D-печати. Тип технологии выбирается в зависимости от особенности работы объекта.

• SLS (Selective Laser Sintering) основана на послойном спекании частиц полимерного порошка с помощью лазерного излучения. Нейлоновый порошок плавится в прочный твёрдый пластик. Из-за особенности технологии поверхность детали получается не идеального качества, но очень функциональной для использования в прототипах с петлями и защелками.
• SLM (Selective Laser Melting) основана на послойном спекании металлического порошка под действием лазерного луча. Используется при изготовлении декоративных деталей. Поэтому она полезна для применения в медицине и легких конструкциях. Часто данный метод используется вместе с традиционной технологией литья металлов для создания прототипов или конечных изделий.
• EBM (Electron Beam Melting) основана на послойной плавке путём использования электронного пучка. При печати используются электромагнитные катушки для перегрева металлического порошка в вакууме.

Как работает 3D-печать

3D-печать - это процесс наложения слоев одного на другой. Каждый объект для 3D-печати начинает свою жизнь с трехмерной модели в компьютерной программе.

Вы можете создать свою собственную конструкцию в таких программах, как Maya, Blender, ZBrush, CATIA, Solidworks. Помимо этого, уже готовые 3D-модели деталей можно скачать с таких площадок, как Thingiverse или CGTrader.

Когда у вас есть 3D-модель, полученная тем или иным способом, вы «прогоняете» ее через программу «слайсер» (от английского слова «to slice»), которая преобразует исходную трехмерную модель в формате STL на слои печати. Полученная информация в итоге конвертируется в специальный формат данных под названием G-код для дальнейшего запуска печати на 3D-принтере.
Такие программы обычно поставляются вместе с 3D-принтером, или их можно свободно скачать, например, программу Cura. Общее у этих ПО то, что они создают тысячи строк кода для слоев. Данный код сообщает принтеру, как нужно печатать.

Затем вам нужно настроить 3D-принтер, выбрать качество печати и правильные настройки для материала. Чтобы начать печать, вы загружаете свою «нарезанную» деталь в принтер через USB-флешку, SD-карту или отправляете напрямую с компьютера. И принтер начинает медленный аддитивный процесс послойного нанесения материала.


Фотография Christian Reil с Pixabay

Материалы, применяемые в 3D-печати

Доступные для трехмерной печати материалы прошли долгий путь развития. В настоящее время существует широкий спектр материалов различных как по свойствам, типам, так и по поставляемым состояниям (порошок, нити, гранулы, смолы и т. д.).

Некоторые материалы разрабатываются под конкретные сферы применения для выполнения специальных задач. Например, медицинский сектор, где применяются специальные фотополимерные смолы (SLA-технология 3D печати), свойства которых позволяют печатать имплантаты, слепки и прочее.

Некоторые типы материалов, используемые чаще всего:

• Пластики. Для спекания (SLS) обычно используются полиамиды или нейлон, поставляемый в виде порошка. Это прочный, гибкий и долговечный материал. Он белого цвета, поэтому его нужно окрашивать до или после печати. Самая распространённая на сегодня технология 3D-печати – FDM, использует нити ABS или PLA-пластика. Данные пластики выпускаются в широком диапазоне цветов. По сравнению с PLA, ABS-пластик обладает более высокими прочностными характеристиками. Но PLA является биоразлагаемым материалом, поэтому он получил такое же широкое распространение, как ABS.
• Металлы. Все больше металлов и металлических композитов находят своё применение в промышленной 3D-печати. Наиболее распространённые из них — это производные алюминия и кобальта. Из-за своих прочностных характеристик нержавеющая сталь часто используется в виде порошка в таких технологиях 3D-печати, как спекание, плавление, EBM. В последние пару лет к числу металлов, подходящих для печати, добавились серебро и золото. Это позволило существенно расширить возможности ювелирного производства.
• Керамика. Относительно новая группа материалов, применяемая в 3D-печати. Особенность печати данными материалами в том, что напечатанные керамические детали должны пройти те же процессы, что и керамические изделия, изготовленные традиционными методами — обжиг и глазурование.
• Биоматериалы. В настоящее время проводится большое количество исследований, направленных на изучение возможности 3D-печати из биоматериалов для нужд медицины. Сюда входит печать человеческих органов для трансплантации, внешних тканей для замены частей тела. Для этого ведущие институты исследуют живые ткани.
• Еда. За последние несколько лет возросло количество экспериментов с экструдерами для 3D-печати пищевыми продуктами. Наибольшее распространение получила печать шоколадом. Существуют 3D-принтеры, использующие сахар, макароны, мясо, тесто.

Фотография mebner1 с Pixabay

Для чего используется 3D-печать

Если вы можете придумать какой-либо предмет, то, вероятнее всего, вы сможете его напечатать. Детские игрушки, ювелирные украшения, чехлы для телефонов и многое другое уже сегодня печатают энтузиасты на 3D-принтерах. Кто-то использует 3D-печать для развлечения. Уже существуют забавные проекты: напечатанная гитара, ткацкий станок и сложная скульптура, созданная из комбинации стекла и нейлона, сплавленных лазером. 3D-печать уже вышла за рамки своих истоков печати пластиком и стала использовать металл, резину, дерево, синтетические ткани и керамические смолы. Функциональные человеческие органы, напечатанные на 3D-принтере, ещё не созданы, но ученые утверждают, что это дело ближайшего будущего.

Поскольку аддитивное производство сложных объектов быстрее и дешевле традиционных методов лепки и литья, оно нашло своё применение в промышленности и искусстве. Возможности этой технологии практически безграничны, но 3D-принтеры — не идеальные машины. Помимо всех плюсов, есть и поводы для беспокойства.

Этические проблемы 3D-принтеров

Трехмерные принтеры потребляют много энергии и выбрасывают в воздух ультралегкие частицы пластика, которые потом вдыхает человек. Эти вредные выбросы можно сравнить с зажженной в помещении сигаретой.

В то время как человечество старается снизить использование и потребление пластика, 3D-принтеры — ещё одна технология, сильно зависящая от него. Это представляет проблему для всех экосистем, в частности для уже страдающих океанов с их плавучими островами пластика.

Несколько лет назад новость о первом огнестрельном оружии, напечатанном на 3D-принтере, вызвала ажиотаж в СМИ. Создание частным лицом оружия, которое невозможно отследить, остается проблемой современной безопасности.

С юридической точки зрения нет четкого ответа на вопрос, кто несёт ответственность в случае причинения вреда здоровью напечатанным объектом. Ведь в большинстве случаев разработчик 3D-модели, производитель 3D-принтера и тот, кто ее распечатал — разные люди или организации. Определение ответственности за потенциальные травмы и смерть — это новая задача.

В то же время в связи с использованием технологии 3D-печати в медицинской сфере для печати тканей возникает ряд этических и моральных вопросов. Эти проблемы схожи с разговорами об исследовании стволовых клеток и редактировании генов, которые продолжаются уже десятки лет.

С другой стороны, в наших руках имеется мощный инструмент, который меняет то, как мы создаём и производим вещи. Мы ещё до конца не понимаем, что это значит для нашего будущего.

Потенциальный эффект на глобальную экономику

Если 3D-печать продолжит развиваться в таком же темпе, как сейчас, то ее использование может потенциально повлиять на глобальную экономику. Переход производства и дистрибуции от текущей модели к локализованному на месте производству по индивидуальным заказам может уменьшить дисбаланс между странами-экспортерами и странами-импортерами.

3D-печать создает новые отрасли и новые профессии. Профессии, связанные с производством 3D-принтеров или, например, вакансия техника по быстрому прототипированию в ювелирный дом Cartier. Возникают новые профессиональные услуги, такие, как поставка материалов, оператор принтера, юридические услуги в разрешении споров и вопросов интеллектуальной собственности. С развитием технологии трехмерной печати вопрос «пиратства» становится актуальной проблемой.

Влияние 3D-печати на развивающиеся страны — обоюдоострый меч. Положительным эффектом для таких стран является снижение стоимости производства за счет использования переработанных и других местных материалов. Но потеря рабочих мест на производстве может сильно ударить по экономике этих стран, что потребует времени для поиска баланса.

Где можно воспользоваться 3D-принтером

Собственный 3D-принтер с необходимым ПО и материалами пока еще может быть дорогим для индивидуальных потребностей, поэтому общественные 3D-принтеры становятся все более распространёнными.

Существуют такие места, как лаборатории и магазины 3D-печати. Вы можете отправить свою конструкцию и забрать готовую деталь через пару дней. Некоторые компании, такие как «Студия дизайна АРТ АП, также занимаются 3D-печатью.

Если вы студент или школьник, то услуги 3D-печати могут оказываться в вашем учебном заведении.


Распечатанные изделия в Студии дизайна Art-Up

Где можно научиться пользоваться 3D-принтером

Для тех, кто уже имеет специальность инженера, существуют программы повышения квалификации (Дополнительного образования) от Русской Академии Ремёсел, рассчитанные на 36 или 72 учебных часа.

В учебном курсе в доступной лекционной форме раскрываются вопросы теоретических и практических основ конструирования, трехмерного моделирования, проектирования изделий из пластмасс. Предусмотрено выполнение рабочих и контрольных работ в рамках проектных заданий курса и финальный экзамен.

В результате освоения программы слушатель курсов получает свидетельство «Специалист по аддитивным технологиям». Код Профессии 15.02.09

Если вы делаете только первые шаги, можно найти учебные программы профессионального обучения объёмом 144 академических часа.

Важно понимать, что основные знания получаются на практических занятиях на реальном оборудовании. Например, получить актуальные навыки можно на современном оборудовании в Технопарке СКОЛКОВО на производственной базе ЦКП OOO Студия дизайна АРТ АП, которая является якорным партнером данной образовательной программы.

В результате обучения слушатель курса «Специалист по аддитивным технологиям» самостоятельно решает следующие профессиональные задачи:

- моделирование и проектирование деталей из пластмасс,
- основы эстетики при проектировании промышленных изделий,
- особенности и типы оборудования для 3D-печати,
- подготовка модели под 3D-печать,
- настройка и запуск 3D-принтера,
- особенности печати из различных материалов,
- постобработка результатов 3D-печати,
- сборка изделия.

Инвестиции в самого себя — это самые выгодные и благодарные инвестиции.

Никита Пелевин, Алексей Кутяев для Русской Академии Ремёсел
На обложке статьи Фотография ZMorph3D с Pixabay