Как работает 3D-принтер

За послед­ние пару лет появи­лось мно­го ново­стей о том, что кто-то что-то рас­пе­ча­тал на 3D-принтере:

Давай­те раз­бе­рём­ся, как рабо­та­ет эта тех­но­ло­гия, какие у неё огра­ни­че­ния и за ней ли будущее.

Для чего нужен 3D-принтер 

3D-принтеры печа­та­ют объ­ём­ные вещи из пла­сти­ка или дру­гих мате­ри­а­лов. Их мож­но исполь­зо­вать в быту или про­из­вод­стве. Напри­мер, вот что мож­но напе­ча­тать на 3D-принтере:

Для чего нужен 3D-принтер Кор­пус для батареек. 
Для чего нужен 3D-принтер Све­то­ди­од­ную лам­пу на шарнирах. 
Для чего нужен 3D-принтер Лам­пу в сти­ле Minecraft. 
Как работает 3D-принтер Модель ста­рин­но­го замка. 

Как это работает

Обыч­но для печа­ти 3D-принтер исполь­зу­ет спе­ци­аль­ный пла­стик. Он быва­ет в виде порош­ка, жид­кой смо­лы или пла­сти­ко­вой про­во­ло­ки в катуш­ках. Имен­но из это­го мате­ри­а­ла и будет состо­ять напе­ча­тан­ная деталь. 

Даль­ше, если гово­рить гру­бо, про­цесс выгля­дит так:

  • этот пла­стик либо нано­сят с помо­щью подвиж­но­го сопла;
  • либо «запе­ка­ют» с помо­щью лазера;
  • либо из мас­си­ва гото­во­го мате­ри­а­ла выре­за­ет­ся лиш­нее с помо­щью подвиж­но­го реза­ка (но это уже боль­ше похо­же на токар­ное дело и к 3D-печати часто не относят). 

Мате­ри­ал при­ни­ма­ет нуж­ную вам фор­му слой за сло­ем. Когда все слои прой­де­ны, полу­ча­ет­ся деталь.

Уско­рен­ная съем­ка 3D-печати с помо­щью подвиж­но­го сопла:

Из-за того что прин­те­ру нуж­но посто­ян­но нагре­вать пла­стик, 3D-принтеры печа­та­ют не очень быст­ро: на деталь раз­ме­ром с теле­фон может уйти 15–20 минут. Ещё ско­рость зави­сит от тол­щи­ны слоя: чем тол­ще слой, тем быст­рее печать. Но при боль­шой тол­щине слоя деталь может полу­чить­ся неак­ку­рат­ной: будут вид­ны слои:

Как работает 3D-принтер Чем тонь­ше слой, тем более ров­ной полу­ча­ет­ся поверх­ность при печати. 

Технологии печати

3D-печать очень нуж­на в про­мыш­лен­но­сти и пром­ди­зайне, поэто­му суще­ству­ет целый зоо­парк тех­но­ло­гий печа­ти, у каж­дой свои пре­иму­ще­ства и недостатки. 

Сте­рео­ли­то­гра­фия. Вме­сто пла­сти­ка здесь исполь­зу­ет­ся спе­ци­аль­ная смо­ла, кото­рая засты­ва­ет на све­ту. Деталь тоже фор­ми­ру­ет­ся сло­я­ми, но сами слои почти неза­мет­ны — смо­ла запол­ня­ет рельеф и деталь кажет­ся еди­ным целым даже с очень близ­ко­го расстояния.

Стереолитография

Син­тез поли­ме­ров (SLS). При такой печа­ти исполь­зу­ет­ся поро­шок, кото­рый потом запе­ка­ет­ся лазер­ным лучом. Так как лазер­ный луч мож­но сфо­ку­си­ро­вать в любом месте с нуж­ной точ­но­стью, то таким спо­со­бом печа­ти мож­но полу­чить очень слож­ные моде­ли с высо­кой детализацией:

Синтез полимеров (SLS)

Polyjet. Осо­бен­ность этой тех­но­ло­гии в том, что в ней мож­но печа­тать объ­ек­ты одно­вре­мен­но из раз­ных мате­ри­а­лов. Это поз­во­ля­ет созда­вать прак­ти­че­ски любые вещи самой слож­ной фор­мы, кото­рые сра­зу обла­да­ют нуж­ны­ми свой­ства­ми. На таком прин­те­ре мож­но напе­ча­тать даже крос­сов­ки, кото­рые мож­но носить:

Polyjet

Что можно напечатать

На 3D-принтере мож­но напе­ча­тать всё что угод­но, если у вас есть под­хо­дя­щий мате­ри­ал для печа­ти, гото­вая модель и доста­точ­но боль­шой принтер.

Про­то­ти­пы. Часто перед нача­лом про­из­вод­ства ком­па­нии нуж­но понять, насколь­ко удоб­ной полу­чит­ся вещь в исполь­зо­ва­нии. Что­бы не запус­кать линию ради одно­го изде­лия, его печа­та­ют на 3D-принтере и смот­рят, что нуж­но изме­нить или дора­бо­тать. На таких про­то­ти­пах мож­но заме­тить, напри­мер, что кноп­ки полу­чи­лись слиш­ком малень­ки­ми и их будет неудоб­но нажи­мать или что кноп­ки ока­за­лись очень дале­ко от паль­цев и до них нуж­но будет спе­ци­аль­но тянуться. 

Зап­ча­сти и дета­ли. Ино­гда най­ти зап­часть от какого-то инстру­мен­та слож­но или почти невоз­мож­но: про­из­во­ди­тель их не выпус­ка­ет или модель дав­но сня­та с про­из­вод­ства. В этом слу­чае мож­но най­ти в интер­не­те трёх­мер­ную модель нуж­ной дета­ли или нари­со­вать её само­му в редак­то­ре, что­бы потом отпра­вить это на печать. 

Меди­ци­на. Трёх­мер­ная печать актив­но исполь­зу­ет­ся в меди­цине для созда­ния новых суста­вов, тка­ней и лече­ния паци­ен­тов. Отли­чие от тра­ди­ци­он­ной печа­ти в том, что вме­сто пла­сти­ка там печа­та­ют спе­ци­аль­ны­ми «живы­ми» рас­тво­ра­ми, кото­рые вза­и­мо­дей­ству­ют друг с дру­гом и ведут себя как насто­я­щие орга­ны и тка­ни. Бла­го­да­ря такой тех­но­ло­гии сей­час лег­ко напе­ча­тать сустав, кото­рый хирург может поста­вить чело­ве­ку вме­сто повреждённого.

Хоб­би и моде­ли­ро­ва­ние. На 3D-принтере лег­ко печа­тать раз­ные мини­а­тю­ры, кол­лек­ци­он­ные фигур­ки и модели.

Про­из­вод­ство дру­гих робо­тов. 3D-принтеры пока не уме­ют про­из­во­дить сер­во­при­во­ды и мик­ро­про­цес­со­ры, но уже уме­ют печа­тать кор­пу­са и кар­ка­сы роботов. 

Дома и зда­ния. Берём здо­ро­вен­ные рель­сы с мото­ра­ми и кон­трол­ле­ра­ми. Уста­нав­ли­ва­ем подвиж­ное сопло, на кото­рое мож­но пода­вать стро­и­тель­ную смесь (бетон или поли­ме­ры). Мож­но печа­тать сте­ны зда­ний. В отли­чие от тра­ди­ци­он­ных тех­но­ло­гий стро­и­тель­ства из кир­пи­ча, пане­лей и бло­ков, фор­ма стен и зда­ния в целом может быть любой. Фун­да­мент, пере­кры­тия и кры­ша пока что не печа­та­ют­ся, но это пока.

Пред­ставь­те: отправ­ля­ем на Марс пол­сот­ни 3D-принтеров на подвиж­ной осно­ве. За год каж­дый из них печа­та­ет ещё по 100 прин­те­ров. Далее все эти 5 000 прин­те­ров разъ­ез­жа­ют­ся по Мар­су и начи­на­ют стро­ить первую коло­нию. Пока они стро­ят, мы зака­зы­ва­ем в Икее мебель, оформ­ля­ем достав­ку, и как раз к момен­ту достав­ки наши робо­ты всё допе­ча­та­ют. Ябло­ни на Мар­се вряд ли зацве­тут, а вот пяти­этаж­ки — могут. 

Критика и проблемы

❌ Мед­лен­но и без гаран­тий: печать доволь­но мед­лен­ная, недо­ста­точ­но точ­ная. Огром­ная про­бле­ма в люби­тель­ских прин­те­рах — брак. Напри­мер, деталь может откле­ить­ся от под­лож­ки пря­мо во вре­мя печа­ти, и про­изой­дёт ад. Или мото­ры рас­ка­либ­ру­ют­ся, и сопло нач­нёт про­ма­зы­вать мимо нуж­ных мест.

❌ Низ­кая эффек­тив­ность: что­бы напе­ча­тать деталь 10 × 10 см, нужен прин­тер раз­ме­ром как мини­мум 50 × 50 см, кото­рый будет сто­ить несколь­ко сотен долларов.

❌ Не самые проч­ные мате­ри­а­лы: 3D-печать пока что огра­ни­че­на пла­сти­ка­ми и смо­ла­ми. Есть отдель­ные тех­но­ло­гии печа­ти на базе метал­ли­че­ско­го порош­ка, но если вам нуж­на сталь­ная деталь — вам нужен не 3D-принтер, а нор­маль­ный токарь и ста­нок. Но на стан­ке мож­но сде­лать не вся­кую деталь. 

❌ Не все­гда понят­но зачем. В про­мыш­лен­но­сти 3D-принтеры исполь­зу­ют для про­то­ти­пи­ро­ва­ния, но в мас­со­вом про­из­вод­стве эти тех­но­ло­гии не исполь­зу­ют­ся. Для домаш­не­го при­ме­не­ния тоже неяс­но: на 3D-принтерах печа­та­ют малень­кие пла­сти­ко­вые штуч­ки для люби­тель­ских про­ек­тов… и всё. Очень мало слу­ча­ев, когда обыч­ный чело­век мог бы захо­теть напе­ча­тать у себя дома что-то при­ме­ни­мое в хозяйстве.

Что дальше

Даль­ше тех­но­ло­гия побе­дит все про­бле­мы мла­ден­че­ства и будет печа­тать вам еду, мебель и внут­рен­ние орга­ны. Необя­за­тель­но при нашей жиз­ни, но наши дети и вну­ки навер­ня­ка застанут.

Текст:

Миха­ил Полянин

Редак­ту­ра:

Мак­сим Ильяхов

Худож­ник:

Даня Бер­ков­ский

Кор­рек­тор:

Ири­на Михеева

Вёрст­ка:

Мария Дро­но­ва

Соц­се­ти:

Олег Веш­кур­цев