Домашняя 3D-печать: уже не за горами

19.02.13

Автор: ALoopingIcon, Wikipedia

О существовании объемного кино, равно как и про трехмерную печать, известно давно. Однако должно произойти какое-то событие, чтобы то или иное явление стало массовым. Стоило Камерону выпустить «Аватар» — и только ленивый не предлагает на рынке телевизор, монитор или на худой конец проектор, способный «по уши погрузить вас в прекрасный мир 3D». И если сначала функция 3D была верным признаком «премиальности» и явно нескромной цены, то сейчас стоимость трехмерных экранов уже можно назвать умеренной, хотя еще далеко не бюджетной.

Не знаем, что там произошло в стане 3D—печати, которая уже многие годы пользуется стабильным спросом в машиностроении, строительстве или медицине, но факт остается фактом: из громоздких промышленных агрегатов 3D—принтеры превращаются в пользовательские устройства, способные прочно занять место на наших рабочих столах. Дело не только в доступной цене, которая приближается к отметке $1000 (а в случае с китайскими устройствами — даже легко преодолевает ее), но и в простоте использования, когда печать трехмерных моделей не сложнее печати фотографии на обычном принтере. По крайней мере, так заявляют производители. Как оно на самом деле — читайте далее.

Зачем это нужно?

Для чего быстрое прототипирование требуется в машиностроении или медицине — объяснять, думается, никому не надо. Для создания единичных прототипов, равно как и для мелкосерийного производства, лучшей альтернативы пока нет. Однажды трехмерные принтеры сильно выручили инженеров Porsche. Разрабатывая коробку передач для Porsche 911, они сперва «напечатали» полностью рабочий прототип из прозрачного пластика. Это позволило изучить ток масла внутри коробки и оптимизировать работу изделия.

В медицине, кстати, на 3D—принтерах «печатаются» копии внутренних органов человека (на основе трехмерной томографии) для более точного диагностирования заболеваний. Также, имея в своем распоряжении трехмерную модель, можно с точностью до долей миллиметра создавать все необходимые для операции импланты, которые безболезненно и практически бесшовно подойдут конкретному пациенту.

Как оказалось, в быту трехмерные принтеры тоже могут пригодиться. Помимо производства игрушек и прочих поделок для детей, их можно использовать для воссоздания поломавшихся или безнадежно утерянных деталей. Иногда напечатать деталь намного дешевле, чем менять ее в сервисном центре или заказывать из-за границы.

Самый сногсшибательный вариант — это производство органов человека с помощью биогеля из сгустков необходимых клеток. Такие разработки уже имеются в Университете Миссури. «Бррр!», скажете вы, а когда нибудь эта технология будет спасать жизни 🙂

Тайна объемной печати

Существует несколько способов воссоздания трехмерных моделей в натуре. Первая из технологий быстрого прототипирования — стереолитография. Была разработана и запатентована Чарльзом Халлом еще в 1986 году. Технология построена на принципе полимеризации некоего вещества под воздействием светового излучения (например, лазера, ультрафиолетовой или галогенной лампы). Иными словами, лазер на подвижной платформе последовательно освещает определенные участки жидкого вещества, заставляя их твердеть. Так слой за слоем в ванной с полимерной жидкостью выращивается будущая модель. Стереолитография позволяет получить «отпечаток» точностью порядка десятых долей миллиметра, но стоимость такого производства чрезвычайно высока.

Впрочем, в свое время Халл основал компанию 3D Systems, предлагающую сегодня как домашние, так и промышленные устройства быстрого прототипирования. В портфолио есть модель, например, за $1900 под названием 3D Cube, которая умеет печатать игрушки. К слову, именно игрушки, которые можно создать прямо на глазах у изумленных чад, — главное применение 3D—принтеров в быту.

Бытовой 3D Cube скорее для развлечений, чем для работы. Основное предназначение этого «принтера» — изготовление цветных игрушек

Другой способ под названием «селективное лазерное спекание» (сокращенно SLS) был разработан в конце 80-х годов в Техасском университете в Остине и в 1989 году запатентован его выпускником Карлом Декардом. По этой технологии порошковый материал послойно спекается лазерным излучением. В рабочей камере устройства порошок предварительно прогревается до температуры несколько меньшей, чем температура его плавления. Изделие лепится по слоям, на которые его компьютерная модель условно рассекается в процессе подготовки к печати. Слой порошка наносится на поверхность зоны обработки, разравнивается валиком, а потом запекается с помощью лазера. Затем наносится новый слой порошка, и процедура повторяется. Когда модель готова, она извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются встряхиванием или зачисткой специальным шпателем. К недостаткам этого метода можно отнести небольшую скорость создания изделий и их пористую структуру. Зато запеченные модели получаются намного прочнее, чем те, которые сделаны по другим принципам.

Большинство промышленных лазерных 3D—печатников — громоздкие установки стоимостью десятки тысяч долларов

Еще одна технология объемной печати с использованием лазера — это ламинирование. В печатающую машину по очереди заряжаются тонкие листы рабочего материала, из которых затем лазером вырезаются слои будущей модели. После резки слои склеиваются друг с другом. В качестве материала первоначально использовалась специальная бумага со слоем клеящего вещества. Но таким же образом можно нарезать тонкий пластик, керамику и даже металлическую фольгу. Одна из особенностей технологии — отсутствие пустот в готовой модели. Поэтому во время печати не нужно думать о создании внутреннего каркаса. С другой стороны, материала на создание модели расходуется намного больше, чем в случае с полыми объектами, что не всегда экономически выгодно.

Струя вместо лазера

Кроме трехмерной печати с использованием лазера, существует также и «струйная печать». Простейшая из «струйных» технологий — Fused Deposition Modeling (FDM). Идея очень проста: «печатающая» головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта. Техпроцесс FDM позволяет с достаточно высокой точностью (минимальная толщина слоя 0,12 мм) изготовлять полностью готовые к использованию детали довольно большого размера (до 600x600x500 мм).

Вместо разогретого полимера можно также использовать фотополимер, который застывает под воздействием ультрафиолетовой лампы. Такой подход предложила в свое время компания Objet Geometries, а технология получила название Polyjet. Этот метод похож на SLA, но работает намного быстрее, а производимые модели можно делать более тонкими и точными.

Принтеры Objet создают трехмерные фигурки из полимера, застывающего под воздействием света

А в знаменитом Массачусетском технологическом институте разработали технологию печати с использованием порошковых материалов. Специальная струйная головка набрызгивает на порошковый материал клеящее вещество. В качестве порошка используется обычный гипс или крахмал. В «забрызганных» местах порошок склеивается и формирует модель. Печать, как и в предыдущих случаях, идет послойно, а лишний порошок в конце стряхивается. Существенное отличие — может использовать клеящую жидкость с добавление пигментных красителей, а значит, печатать цветные модели.

Персональный станок

К отдельному типу можно отнести станки с числовым программным управлением. Они управляются непосредственно из CAD-программ и могут вырезать, выпиливать и высверливать в материале модели, которые в этих программах разрабатываются. Такой себе компактный и многофункциональный станок. Такой подход требует меньших затрат расходников, а также не привязан к какому-то определенному материалу изготовления. Главное, чем отличаются между собой станки — максимально возможными габаритами производимых моделей.

Станок с числовым программным управлением — это, по сути, умный робот, который выпиливает и высверливает из куска материала деталь согласно вашим чертежам

Очевидно, что наиболее востребованы в быту принтеры, печатающие с помощью пластика (если только вы не открыли у себя в подвале какую-нибудь мини-мастерскую). Для бытового моделирования используются экологически чистые и недорогие ABS- или PLA-пластик. Первый очень прочен и хорошо зарекомендовал себя в машиностроении, кстати, еще он используется для производства конструкторов LEGO. PLA-пластик, наоборот, достаточно мягок и сохраняет свои физические свойства в широком диапазоне температур. Стоимость PLA—пластика — около $50 за килограмм, ABS—пластик для прототипирования — около 70 евро за катушку на 2 кг. По информации производителей, 1 кг PLA хватит для создания 400 шахматных фигурок.

Тонкости моделирования

Традиционно трехмерное моделирование для последующей печати происходит в специальных промышленных CAD—системах (например, AutoCAD, 3ds Max, Sketchup, SolidWorks и др). Это означает, что для создания моделей вам потребуются навыки моделирования, да и построить какую-нибудь трехмерную модель с нахрапа, попивая чаек во время обеденного перерыва, у большинства пользователей вряд ли получится. А если и получится, то результат вряд ли не разочарует. Наверняка те, кто пытался сделать виртуальную 3D—модель для какой-нибудь компьютерной игры, например GTA, помнят, что это не так-то просто. И это без учета того, что коммерческие программные пакеты сами по себе стоят немалых денег.

Google не остался в стороне от перспективного направления и предлагает пользователям бесплатную библиотеку 3D—моделей, созданную в SketchUp. Хотите себе модель Mustang GT500 из фильма «Угнать за 60 секунд»? Пожалуйста!

Именно поэтому домашние трехмерные принтеры оснащаются специальным программным обеспечением. Например, до недавнего времени принтеры производства MakerBot оснащались весьма сложной opensource—программой Skeinforge (http://www.makerbot.com/docs/software/skeinforge/). В новой модели, MakerBot Replicator 2, которую, к слову, уже успели окрестить самым совершенным настольным 3D—принтером, используется собственное программное обеспечение — MakerWave. Пользоваться им не сложнее, чем рисовать шаржи в какой-нибудь развлекательной программе. Если же чертить самому желания нет, в Интернете можно скачать множество бесплатных моделей, созданных другими пользователями. А смоделировать потом готовое творение и пластика — не сложнее, чем отправить на печать пару фотографий.

Создание трехмерных моделей в редакторе MaketWare не сложнее, чем рисование в какой-нибудь развлекательной программе. Изучать десятки инструментов и сотни их настроек вам не потребуется

Что почем?

К слову, тот же MakerBot Replicator 2 (http://store.makerbot.com/) только недавно поступил в продажу по цене в $2199 за младшую модель. По американским меркам — вполне приемлемая сумма ниже психологического барьера, отделяющего бытовые репликаторы от дорогих промышленных установок. Почти на $1000 меньше стоит другой американский принтер, 3D System Cube (http://cubify.com/cube/), также предназначенный для бытового моделирования, к примеру, создания игрушек. А если вам не нужно решение, работающее из коробки, и вы готовы потратить время и силы на сборку собственного 3D—принтера, то RepRap вам в руки (http://reprap.org/wiki/Main_Page). Потратив «всего» $300–500 на покупку необходимых деталей, вы станете участником opensource—проекта, конечная цель которого — создать репликатор, способный воспроизвести самого себя. Пока конечная цель не достигнута, RepRap можно использовать для моделирования многих других вещей. J А поскольку это проект с «открытым исходным кодом», то каждый его участник может усовершенствовать устройство по своим потребностям и, разумеется, возможностям.

MakerBot Replicator 2 — устройство размером с микроволновую печь, которая вместо кулинарных шедевров «выпекает» вам разнообразные фигурки из экологически чистого пластика

Быстрое прототипирование в нашей стране — удел пока что исключительно профессиональных пользователей. Правда, не только больших конструкторских бюро, но уже и небольших дизайнерских студий. Моделей, представленных на отечественном рынке, откровенно немного. И ни одну из них нельзя назвать достаточно дружественной обычному пользователю. Даже самый доступный по цене UP 3D-принтер (http://www.pp3dp.com) за $2399 и весом всего 5 кг (для сравнения, многие устройства весят более 80!) будет хорошо смотреться в гараже, но никак не на рабочем столе. Скажем так: если подобный репликатор нужен вам для работы, вы наверняка уже его приобрели. А что касается игрушек и развлечений, то на без малого $2500 их можно накупить сколько душа пожелает. И вовсе не заморачиваться с трехмерной печатью.