social

Что такое 3D-принтер? Почему его называют революционным устройством? Статья о 3D-принтерах для тех, кто “не в теме”

13.02.2014  |  метки:   |  текст:

Совсем недавно 3D-принтеры считались чем-то из разряда экзотики, предназначенной для профессионалов и одиночек-энтузиастов.

Но все меняется. Появляется большое количество трехмерных принтеров, ориентированных на “простых пользователей”. Можно с уверенностью говорить, что 3D-печать постепенно войдет в повседневную жизнь каждого. И это будет очень скоро.

Аддитивное производство (3D-печать) – что это такое?

Для начала давайте разберемся, что такое “аддитивное производство”, которое обычно упоминается в качестве синонима 3D-печати, и чем оно отличается от обычного производства.

Рассмотрим классические способы изготовления объектов. Чтобы было более понятно, мы не будем останавливаться на литье и штамповке, а возьмем механическую обработку.
фрезерный станок
Так, для создания какого-нибудь объекта, нужно взять заготовку, отдаленно напоминающую нужный предмет, и удалить с нее “лишний” материал. Неважно чем — напильником, фрезой, лазером или струей воды под давлением. Смысл один — удаление лишнего материала.

Великий художник Микеланджело на вопрос “как вы делаете свои скульптуры?”, ответил: “Я беру камень и отсекаю всё лишнее

 

Аддитивное производство (“add” на английском языке — “добавлять”), в свою очередь, использует другой принцип создания объектов — послойный. 3D-принтеры выращивают объект с нуля, добавляя к нему мелкие порции материала, формирующие слои, поэтому этот процесс и называется аддитивным.

Чтобы проиллюстрировать основной принцип послойного создания объектов, возьмем лепку снеговика. Вначале вы лепите маленький комочек, катите его по снегу, на него налипают новые слои, и в итоге получается большой, монолитный объект — снежный ком.

пример слоев

Примерно то же происходит и в 3D-печати: на ровную, горизонтальную поверхность накладывается тонкий слой материала, потом сверху на этот слой накладывается следующий, потом — еще и еще, пока не будет построен целый объект сложной формы. На рисунке сверху эти слои прекрасно видно.

Более наглядно процесс 3D-печати показан на видео ниже:

Способы построения объектов различными типами 3D-принтеров мы рассмотрим детально в отдельной статье. Сейчас выясним, для чего, все-таки, нужны 3D-принтеры.

Для чего нужен 3D-принтер?

В двух словах: 3D-принтеры нужны для создания реальных объектов из цифровых компьютерных 3D-моделей.

3d-модель машины

Такие модели вы уже много раз видели — например, в фильмах, в играх, в рекламе. Это объемные копии реальных или воображаемых предметов и существ, но существуют они в электронной форме (то есть увидеть их можно только на экране).

модель химеры
3D-принтеры позволяют легко сделать эти виртуальные модели реальными — их можно будет потрогать и использовать.

Несмотря на то, что широкую известность 3D-принтеры стали приобретать только в последнее время, в промышленности они используются достаточно давно. Первый коммерческий 3D-принтер был представлен еще в 1987 году, а сама технология 3D-печати восходит своими корнями к разработкам 19 века в области топографии и фотоскульптуры.

Технологию 3D-печати по достоинству оценили такие мировые промышленные гиганты, как Airbus, Boeing, General Electric, Ford, Siemens, специалисты NASA и британские военные, не говоря об инженерах, ученых, медиках, огромном количестве мелких предпринимателей и простых пользователей.

Давайте посмотрим, почему 3D-принтеры привлекают столько внимания.

Преимущества 3D-печати

Давайте попробуем оценить плюсы 3D-печати в сравнении с привычными нам методами производства.

1. Свобода творчества

3D-принтеры могут создавать объекты практически любой формы и сложности. Если вы можете “нарисовать” модель в 3D-редакторе, принтер ее напечатает.

Это открывает потрясающие возможности как для промышленности, так и для простых пользователей. А для дизайнеров и художников, 3D-принтер — просто неоценимая находка.

Несколько примеров сложных объектов, напечатанных на принтере:
колючки на 3д-принтере
печать на 3д-принтере
кролик на 3д-принтере

2. Большое разнообразие материалов

3D-принтеры могут использовать для печати больше сотни типов материалов, и этот список постоянно расширяется и дополняется. Это не только огромное количество самых разнообразных пластиков и полимерных смол, но и металлы, бумага, керамика, ткань, пищевые продукты, соль, лунный и марсианский грунт и даже живые клетки!

Более того, 3D-принтеры способны полноценно работать с материалами, обработка которых при помощи классических методов очень сложная и дорогостоящая.

Например, сплав Inconel 625, из которого американская компания SolidConcepts напечатала свой пистолет. Это настолько твердый материал, что его механическая обработка практически невозможна.

3. Универсальность и снижение трудоемкости

Для создания сложного объекта не нужен цех с разными станками, пресс-формы и формы для литья. Для этого достаточно всего одного 3D-принтера. По сути, это целая фабрика в одном устройстве.
птичка в клетке
Взгляните на эту “птичку в клетке”. Чтобы сделать такой объект стандартными средствами, потребуется несколько этапов и разборная конструкция. А на 3D-принтере это делается быстро и просто.
переплетенные шестерни
Эти переплетенные шестерни неразъемные — весь объект целиком напечатан на 3D-принтере за один раз.

4. Простота в использовании

Для создания объекта на 3D-принтере не нужно ничего, кроме самого принтера, материала для печати и компьютерной 3D-модели.

Вот примерный алгоритм процесса:

  • Создание цифровой 3D-модели в программе-редакторе. Это совсем не обязательно делать самому — существует огромное количество готовых моделей, как платных, так и бесплатных.
  • Конвертация цифровой модели в формат, понятный 3D-принтеру. На этом этапе, специальная компьютерная программа-слайсер разделяет исходную 3D-модель на тонкие горизонтальные слои и переводит ее в код, понятный 3D-принтеру.
  • Собственно 3D-печать. Вы отправляете подготовленную на предыдущем этапе модель на печать, и 3D-принтер самостоятельно занимается ее постройкой. Ваше участие в этом процессе минимально.

Ничего сложного в этом нет. Разве не так?

5. Экономичность

Выше мы рассмотрели базовый принцип аддитивного производства. Послойное создание предмета подразумевает собой практически полное отсутствие отходов, т.к. объект создается не из болванки, с которой удаляется много ненужного материала, а послойно, с использованием только необходимого его количества.

Нужно заметить, что полная безотходность не всегда возможна. Объекты после 3D-печати обычно проходят постобработку, во время которой удаляются шероховатости, заусенцы и поддерживающие конструкции, но, по сравнению с классическим производством, количество отходов незначительное. Кроме того, отходы 3D-печати легко переработать.

4. Быстрота создания объектов и гибкость технологии

Цифровая модель, 3D-принтер, несколько часов его работы и объект готов.

Современная технология 3D-печати основана на разработках в области быстрого построения прототипов и макетов. Инженеры, конструирующие какой-либо механизм, перед запуском в производство, должны его опробовать и устранить недостатки. Для этого и создаются рабочие прототипы будущей продукции.

цветной прототип
3D-принтер позволяет создавать такие прототипы в кратчайшие сроки. Благодаря гибкости технологии 3D-печати, для внесения изменений в конструкцию будущего предмета, достаточно отредактировать его виртуальную модель в 3D-редакторе. Естественно, это значительное снижение как финансовых, так и временных затрат.

5. Использование 3D-принтеров в медицине

Этот пункт я специально выделил отдельно. Дело в том, что, если с изготовлением различных изделий промышленность долгое время справлялась и без 3D-принтеров, то технологий, способных эффективно заменить биомедицинскую 3D-печать, просто не существует.

В настоящее время ведутся разработки в области создания искусственных органов и тканей тела, новых эффективных лекарств и лечения сложных болезней. Протезы и хирургические имплантаты, напечатанные на 3D-принтере — уже реальность.

Конечно, все описанное выше выглядит ожившей фантастикой, сказкой. Однако, и на солнце бывают пятна. Поэтому, рассмотрим и недостатки 3D-принтеров.

Недостатки 3D-печати

1. Ограничения, связанные с особенностями аддитивного производства

Так как 3D-принтеры создают объекты послойно, очевидно, что между этими слоями, какими бы тонкими они ни были, всегда будет граница-переход. Это означает, как минимум, что поверхность созданных объектов будет шероховатой и матовой. Особенно это касается относительно дешевых домашних 3D-принтеров. Конечно, дефекты поверхности исправляются в процессе постобработки, но это все равно затраченное время, труд и деньги.

Слоистая структура объектов также означает их меньшую прочность по сравнению с деталями, выточенными на станке из цельного куска металла. Например, инженерам Siemens пока что не удается напечатать на 3D-принтере жаростойкие детали для газовых турбин.

С другой стороны есть, пистолет SolidConcepts, успешно прошедший испытания стрельбой (а это немалые нагрузки).

2. Ограничения в размерах объектов

3D-принтеры способны печатать относительно небольшие объекты — такие,  которые могут уместиться на их рабочей платформе. Т.е. они не смогут напечатать целиком, например, дом.

Правда, уже сейчас существует прототип 3D-принтера, размеры рабочей платформы которого практически неограниченны, но о внедрении такой технологии говорить пока рано.

3. Высокая цена

Не будем упоминать профессиональные промышленные устройства — там счет идет на десятки и сотни тысяч долларов.

Что касается бытовых, настольных 3D-принтеров, то стоимость большинства из них начинается с 400-500 долларов. Прибавьте сюда еще стоимость расходных материалов и обслуживания.

В связи с этим, стоит упомянуть одно очень известное электронное устройство. Мобильные телефоны каких-то 20 лет назад были доступны только очень богатым людям, а сейчас — практически всем. Очевидно, что по мере развития технологий, например, удешевления производства электроники, будут снижаться цены и на 3D-принтеры.

4. Незаконная 3D-печать оружия

В некоторых странах Запада в последнее время всерьез занялись вопросом, касающимся бесконтрольного производства огнестрельного оружия. Поводом для этого послужило появление предельно дешевого пластикового пистолета Liberator, который не обнаруживается металлоискателями.

Нужно заметить, что 3D-печать — это просто технология, она не может быть ни хорошей, ни плохой. Все дело в способах ее применения. Естественно, найдутся люди, которые захотят использовать 3D-принтеры в противозаконных целях.

5. Сокращение существующих производств

К недостаткам 3D-печати часто относят потенциальное снижение потребности промышленности в рабочей силе. Попросту говоря, много простых рабочих рискует быть уволенными, т.к. один принтер способен заменить несколько станков.

В то же время, для разработки и обслуживания 3D-принтеров потребуются высококвалифицированные инженеры и техники.

С другой стороны, сокращение одних направлений и перетекание инвестиций в другие, новые и более перспективные отрасли — нормальное и закономерное явление в экономике. Многим будет нелегко освоить технологии 3D-печати, но мы ведь как-то освоили компьютеры? Возможно, 3D-принтеры так же изменят нашу жизнь.

В нашей следующей статье из рубрики 3D-печать для “чайников” мы расскажем, как работают 3D-принтеры. Это будет простое и понятное объяснение.
  • Задать вопрос через форму сайта

Войти с помощью: