С момента дебюта 3D-принтеров в 1980-х годах эти устройства использовались для создания мяса, шоколада, человеческих органов, одежды, автомобилей и домов. Сегодня 3D-печать стала более популярной, чем когда-либо, и вы можете купить такой аппарат менее чем за 200 долларов.
Что такое 3D-печать?
3D-печать, также известная как аддитивное производство или быстрое прототипирование, имеет множество преимуществ перед более традиционными методами субтрактивного производства, когда вы начинаете с куска металла или дерева и удаляете материал с помощью фрез, свёрл и других инструментов.
Два основных преимущества 3D-принтеров:
* они производят гораздо меньше отходов;
* они лучше справляются с созданием объектов сложной формы.
Вместо сложного процесса сборки всё можно сделать на одном месте.
«Методы массового производства почти все достаточно фиксированы, — говорит Диана Хайдэр, доцент кафедры машиностроения в Университете Карнеги-Меллона. — Вы можете переделывать одни и те же детали снова и снова. Но людям также нужны детали по индивидуальному заказу. Вот где у 3D-печати есть своя ниша».
Принцип работы 3D-принтера
Рассмотрим тип печати, с которым знакомо большинство людей: печать чернилами на бумаге. Это 2D-печать, потому что есть область с осью X и осью Y, то есть две степени свободы. В 3D-печати есть третье измерение: высота. Файлы, которые вы загружаете в 3D-принтеры, — это трёхмерные изображения, которые программа затем нарезает на горизонтальные слои.
«Идея в том, что у меня есть трёхмерный объект, и я собираюсь нарезать его на множество отдельных слоёв, — объясняет Хайдэр. — Для этого мы используем программное обеспечение для нарезки. Затем обычно есть двухкоординатная головка, которая движется и создаёт один слой. Затем либо головка поднимается, либо платформа (на которой создаётся объект) опускается. Но есть изменение по оси Z, так что мы можем создавать один слой за раз».
Популярные методы 3D-печати
Один из наиболее распространённых типов 3D-печати — это моделирование методом наплавления (FDM). «Это самый чистый метод с точки зрения пространства», — говорит Хайдэр.
При этом методе используется катушка с намотанной нитью (обычно пластиковой или полимерной), которая подаётся в головку машины. Внутри головки есть нагревательный элемент, который плавит полимер. Полилактид (тип пластика) — один из наиболее часто используемых материалов для 3D-печати, потому что он дешёвый и имеет относительно низкую температуру плавления — около 180 градусов Цельсия (350 градусов по Фаренгейту). Когда он используется в качестве подающего материала, инженеры обычно устанавливают температуру 3D-принтера около 200 градусов Цельсия (390 градусов по Фаренгейту), чтобы убедиться, что материал будет расплавлен при выдавливании из маленького сопла, но затем сможет затвердеть обратно. Чем меньше сопло, тем выше разрешение напечатанного объекта.
Второй по популярности метод 3D-печати — это более старая техника, называемая стереолитографией (SLA). В этом случае материалом для печати служит фотополимерная смола, а не твёрдая катушка. Этот метод включает в себя ванну со смолой, которая находится в стеклянном резервуаре в незатвердевшем состоянии; УФ-лазерный луч и несколько зеркал затвердевают один слой за раз. Каждый раз, когда слой затвердевает, он становится твёрдым, отделяется от нижнего стекла в резервуаре и затем поднимается из ванны — в итоге получается твёрдая сплошная структура.
Третий по популярности метод 3D-печати называется лазерное сплавление порошка в постели. Этот метод хорошо подходит для печати или сжатия металлов. Сначала есть большая плоская постель из металлического порошка, и лазер вырезает форму, сплавляя вместе нужные формы. Как только слой будет готов, постель опускается, а валик распределяет новый тонкий слой порошка по поверхности.
Ещё один распространённый метод 3D-печати — полиструйная печать, которая позволяет инженерам работать с широким спектром сопел и материалов (от твёрдых до мягких) за один проход.
Какие материалы можно напечатать на 3D-принтере?
Хотя 3D-принтеры чаще всего печатают пластиком, их также можно настроить для печати материалами с добавлением металла, керамики или древесины. Различные типы волокон или частиц можно смешивать с полимерными связующими, чтобы придать объектам различные свойства.
Когда специализированные машины печатают органы (например, сердце), несколько сопел можно предварительно заполнить шприцами для инъекции различных типов клеток. Вместо катушки машина впрыскивает гидрогель.
Сколько стоят 3D-принтеры?
Самый дешёвый 3D-принтер на рынке стоит около 200 долларов, и такие аппараты используют студенты-инженеры для быстрого создания макетов. Но экономия на машине сопряжена с компромиссами. Дешёвые модели более капризны и часто ломаются. Они также не так последовательны в производстве одного и того же объекта снова и снова. Например, полимер или пластиковый строительный материал может деформироваться, если внутри сопла температура слишком сильно отличается от температуры внешней среды. «Вы не увидите этого в больших машинах, потому что у них чётко закрытые среды с контролем температуры, и у них может даже быть цикл охлаждения», — объясняет Хайдэр.
Настольный аппарат среднего класса для печати методом FDM обычно стоит около 3000 долларов, и эта цена включает в себя пакеты программного обеспечения. Более дорогой аппарат, который может изготавливать более крупные объекты из более прочного исходного материала, может стоить 200 000 долларов. У таких машин более высокие первоначальные затраты, но в дальнейшем они окупаются. «Ваши затраты на обслуживание будут значительно ниже, — говорит Хайдэр. — Проще печатать материалы, с которыми маленькие машины будут бороться. Эти машины дают вам наиболее близкое к профессионально изготовленной детали».
Самые дорогие машины печатают с использованием металла, например алюминия. Металлические 3D-принтеры могут стоить до 1 миллиона долларов, поскольку они должны работать в помещении, которое хорошо контролируется, вентилируется и имеет возможность подавлять взрывы (если они произойдут).