Перспективы 3D-печати в Украине и мире: от керамики до жилья

Казалось бы, что можно придумать нового при изготовлении самых различных предметов или деталей? Их можно вырезать вручную, выточить на станке, наштамповать под прессом, отлить из расплавленного материала в специальной форме... В конце концов, выдуть, как это делают стеклодувы или как изготовляются пластиковые бутылки.

Но в последнее время все больше вещей можно… напечатать. Примерно так, как возникают текст или изображение на листе бумаги. Большинство читателей газеты хотя эпизодично, но слыхали о технологии 3D-печати. Используя ее возможности, инженеры научились делать на 3D-принтерах детали для самолетов и огнестрельное оружие, кровеносные сосуды и протезы, микросхемы. Даже новый клюв для покалеченного орла как-то напечатали!

"Сегодня" предлагает краткий рассказ о перспективной технологии. А также том, какие в этой сфере достижения у наших светлых голов.

Техника: компьютеры и тонкая механика

В самом общем виде 3D-печать — это создание трехмерных объектов на базе набора данных, с которым работает особое программное обеспечение.

Для создания виртуальной модели служит 3D-сканер — устройство, анализирующее очертания предмета, а затем создающее его математическую модель.

Активные 3D-сканеры создают направленный на объект пучок излучения и анализируют отраженные волны. В зависимости от того, какой материал будет использоваться для последующей печати и многих других факторов, может применяться свет видимого диапазона, лазерный луч, ультразвук, рентгеновское и гамма-излучение. Пассивные сканеры работают с естественным светом, отраженным от изучаемого предмета.

Полученные при сканировании 3D-модели обрабатываются системами автоматизированного проектирования (САПР).

Дизайн. Применение 3D-принтера и гипса позволяют быстро создать осязаемую модель предмета

Предположим, что нужная нам шестеренка отсканирована, математическая модель ее создана и сохранена в компьютере.

Дальше в ход идет главный инструмент технологии — 3D-принтер. Выполняя команды особой программы, он слой за слоем "наращивает" объем нашей шестеренки. Кто-то еще помнит, как работает струйное печатающее устройство? Примерно так действует и 3D-принтер. Движущаяся печатающая головка, следуя инструкциям компьютера, выбрасывает в нужный момент в соответствующую точку пространства заранее заданное количество вещества. После создания первого слоя головка или площадка, на которой находится создаваемый предмет, на шаг передвигается по вертикали. И создается второй слой. Процесс повторяется до тех пор, пока наша шестерня не будет полностью "выращена".

В наши дни применяется много технологий объемной печати. Они вполне применимы во многих отраслях промышленности. Обожают 3D-печать дизайнеры: она позволяет им создавать предметы, которые невозможно сотворить иным способом.

Шанс. Можно создавать вещи, невыгодные для обычного производства

Огнем и лучом

В современных 3D-принтерах используется несколько технологий обработки сырья.

• SLA

Состоит в воздействии на фотополимер лазерного луча, в результате чего материал затвердевает. Происходит примерно то же самое, как при создании стоматологом пломбы из фотополимера.

• SLS

Иными словами — спекание лазером. Единственная технология 3D-печати, применяемая для изготовления металлических предметов из порошков.

• FDM

Послойная печать расплавленной полимерной нитью. Зарекомендовала себя при изготовлении единичных изделий.

• SGC

Облучение ультрафиолетом. Изделие создается из слоев фоточувствительного пластика, наносимого на рабочую поверхность. После этого он через особую маску с изображением очередного сечения облучается ультрафиолетом. Полости заполняются расплавленным воском, который служит для поддержания последующих слоев.

Сырье: пластмассы, гипс, металл и и шоколад

В 3D-печати используется целый спектр материалов. Что-то подойдет для пластмассовых гаек, которые будут держать крышку на унитазе, или сгодится на дизайнерскую кружку. Но совсем иные материалы нужны для деталей, которые используются при больших нагрузках, высокой температуре и т. д.

• Полимеры

Чаще всего используются пластмассы. Одним из популярных материалов является так называемый ABC-пластик: нетоксичный, ударопрочный, без запаха. В продажу он поступает в виде порошка или тонких нитей на бобинах. Полиамидные порошки рассчитаны на принтеры, где предметы из этого материала спекают лазером. Спектр полиамидного сырья весьма широк, а применение добавок позволяет получать материалы с самыми разными свойствами. Потребность в таких материалах так велика, что их выпуском занимаются огромные компании. Так, у одного из химических гигантов Германии есть даже особое подразделение — BASF 3D Printing Solutions. Ее материалы востребованы в автомобильной промышленности.

• Гипс

С гипсовыми смесями все просто. Да, модели из гипса недолговечны и хрупки, но они недороги, к тому же, прекрасно передают форму и структуру исходного предмета. Поэтому идеально подходят для презентаций, когда нужно показать образцы заказчикам и клиентам. Кроме того, гипсовые модели отличаются термостойкостью: их используют для изготовления форм для литья.

• Металл

Во многих случаях невозможно найти замену металлу. Тогда в объемной печати идет в ход порошок из меди, алюминия, драгоценных и благородных металлов, сплавов.

• Экзотика

Иногда в объемной печати используется что-нибудь съестное. Например, шоколад: какао-масса быстро застывает и твердеет. Поэтому процесс печати какого-нибудь шоколадного шедевра проходит очень быстро.

Появляются также сообщения о 3D-принтерах, работающих с бетоном. Эти гиганты способны послойно создать теоретически любые строительные детали и конструкции. Первый в мире напечатанный бетонный мост появился в прошлом году в городке Гемерт в Голландии.

В этом году специалисты Национальной лаборатории им. Лоуренса (США) предложили 3D-печать на основе жидкостей — воды и силиконового масла. Новая технология найдет применение в химическом синтезе и создании компонентов жидкостной электроники.

Появилось и деревянное волокно для 3D-печати. На самом деле это все тот же полимер с наполнителем из мелких частиц дерева. Из такого сырья можно изготавливать долговечные и прочные вещи, внешне неотличимые от деревянных. И даже пахнущих, как сосновый брусок.

Исцеление. Белоголовому орлану напечатали протез клюва

Тонкая работа. 3D-печать прижилась в производстве сувениров

Мост. На стенке ясно видны слои бетона, которыми он печатался

1/3

Украина: мы тоже кое-что умеем

Объемная печать давно перестала быть технической экзотикой в Украине. У нас вполне успешно работают десятки компаний, предоставляющих услуги 3D-печати. Мы же расскажем о тех, кто не просто зарабатывает деньги, а еще и движет научно-технический прогресс.

• Жилье

Команда во главе с Максимом Гербутом предложила технологию создания жилого дома PassivDom. "Коробка" здания (стены, балки) печатается на 3D-принтере одной деталью, без единого шва. Используются прочные и долговечные материалы: стеклопластик, полиуретан, карбон. Стены толщиной около 20 см. Благодаря структуре, напоминающей вакуумный термос, дом хорошо удерживает тепло: теплоизоляционные свойства его стен сопоставимы с кирпичной стеной толщиной 7,3 м. Полезная площадь базовой модели относительно невелика — 30 кв. м, но при необходимости можно "распечатать" конструкцию в два раза просторнее. Печать самого здания и монтаж сопутствующих систем занимают не более трех недель.

В 2017 году PassivDom попал в список "100 лучших инновационных проектов Центральной и Восточной Европы", в 2018 году началось серийное производство в США. Там уже получено около 8 тыс. предзаказов. Кроме того, Максим Гербут подал заявку на внесение своего детища в Книгу рекордов Гиннесса — в номинации "Самый теплый дом в мире".

• Творцы керамики

Стартап Kwambio представил 3D-принтер Ceramo One собственной разработки. Авторы позиционируют его как "первый высокоточный 3D-принтер для печати керамических изделий". Принтер уже применяется на фабрике, где Kwambio выпускает керамику разного назначения. Также там разработали материалы и технологии изготовления форм для отливки деталей и печати узлов для аэрокосмической отрасли.

Вскоре устройство показали на CES — выставке потребительской электроники, проходящей в Лас-Вегасе, где представляют "самые-самые" новшества. Вскоре после CES стартап получил предложение от General Electric на пару принтеров и материалы к ним. В одном из интервью сооснователь стартапа Владимир Усов обмолвился, что американцы намерены использовать оборудование для производства лопаток турбин.

• Тщательней надо

Стартап Sprybuild объединил нескольких наших инженеров и дизайнеров. Первым их успехом стал Jollylook — игрушечная, но действующая камера, стилизованная под винтажные фотоаппараты. Теперь стартап предложил новую технологию объемной печати. Ее название громоздко: "технология высокоскоростной непрерывной печати жидкими фотополимерами, основанная на трансформации волнового фронта актиничного излучения, формирующего проекцию изделия непосредственно в области построения, на границе между фотополимером и оптическим интерфейсом" (CPWC). Если не вдаваться в теоретические и инженерные тонкости, то эта новинка позволяет уже в ближайшем будущем сконструировать самый скоростной 3D-принтер в мире. Кроме того, удалось почти полностью избавиться от прилипания сырья-фотоплимера и свести к минимуму применение такой "химии", как ингибиторы и модификаторы. Плюсы очевидны: экологичность и сокращение расходных материалов.

В первую очередь технология CPWC найдет применение при создании узлов сложной формы и изощренных элементов декора. Еще более впечатляюще выглядит место технологии CPWC в медицине: можно будет подобрать компоненты сырья для, например, протезов сосудов. А применение биоразлагаемых материалов позволяет печатать капсулы для переноса лекарств в нужную точку организма.

Принтер для работы с керамикой. Фото: Kwambio

Дом. Может быть легко и быстро построен в любом медвежьем углу. Фото: passivDom

Роза. Технология создает точную геометрическую копию цветка. Фото: Sprybuild

Процесс. Метод CPWC экономит материалы, экологичен и точен. Фото: Sprybuild

1/4