3D-принтеры

Во-первых, попробуем разобраться, что же такое 3D ПРИНТЕР. Традиционно словом "принтер” мы называем устройство, выводящее на бумагу некоторую информацию. Бумага – это всегда плоскость (если ее не сгибать или сворачивать) и информация, отображаемая на ней, – двумерная. Поэтому традиционные принтеры можно называть "2D принтерами”.

Трехмерный или 3D принтер – это устройство вывода трехмерных данных (как правило, объемной геометрии). То есть результатом его работы является некоторый физический объект.

Существует несколько технологий объемной (трехмерной, 3D) печати, но в основе любой из них лежит принцип послойного создания (многие любят слово – выращивания) твердой геометрии.

Компания Desktop Factory выпустила действительно доступный трехмерный принтер, который при желании можно установить у себя дома на рабочем столе. Среди прочих достоинств этого решения, конечно, выделяется цена – от 4’495 долларов США.По цене самого недорогого нового отечественного автомобиля теперь можно купить настоящую настольную мастерскую – принтер Desktop Factory 125ci 3D Printer может изготовить любую деталь, суммарный объем материала в которой не превышает 125 кубических дюймов (примерно 2 литра). «Напечатанные» детали имеют достаточную прочность, чтобы кинуть их в дальнюю стену комнаты.

Изготовление деталей осуществляется с помощью мощной галогенной лампы и системы линз для направления ультрафиолетового пучка на нужный участок исходного материала. Сырьем для деталей служит порошковый светотвердеющий пластик. По заявлению производителя, применение такого довольно доступного материала обеспечивает низкую себестоимость готовых изделий – примерно 1 доллар за кубический дюйм (примерно 116 кубических сантиметров).

Изготовление детали в принтере Desktop Factory происходит послойно, снизу вверх. Тем не менее, скорость «печати» сравнима с уже существующими образцами трехмерных принтеров, которые обычно стоят как минимум вдвое дороже.

одробнее о новом трехмерном принтере, который доступен по цене даже для домашних «самоделкиных» можно узнать на сайте производителя.

Компания Mcor Technologies представила 3D-принтер Mcor Matrix, работающий на базе фирменной технологии печати, обещающий стать самым дешевым в использовании принтером для создания трехмерных моделей.

Продукт Mcor Technologies использует технологию послойной печати – т.е. исходная модель делится компьютером на тонкие слои, изготавливаемые принтером из обычной бумаги и из которых при склеивании формируется трехмерная фигура. После склеивания модель проходит окончательную внешнюю обработку клеем, что добавляет ей прочности и эстетичности Модели, изготовленные таким способом, напоминают продукты резьбы по дереву и обладают достаточной прочностью для их использования в наглядных целях.

Для печати моделей на Mcor Matrix не нужно обзаводиться дорогими химическими реагентами, как в случае трехмерной струйной печати, или находить также дорогостоящий жидкий полимер, как в случае трехмерной лазерной печати: в 3D-принтере Mcor Matrix расходным материалом являются бумага формата А4 и специальный клей.

Производитель заявляет, что стоимость печати на Mcor Matrix будет в 50 раз дешевле, чем при печати на других 3D-принтерах. О стоимости самого устройства пока ничего неизвестно.

О высокой четкости и маркетинговых ухищрениях

Точность работы ProJet HD 3000 3D Production System, судя по спецификациям, довольно высока: 0,001–0,002 дюйма, что характерно для продукции 3D Systems. А вот под "высокой четкостью”, видимо, подразумевается, что кроме стандартного режима (разрешение 328х328х606dpi, то есть 0,08 мм по горизонтали и 0,05 мм по вертикали) есть специальный режим "ультравысокой четкости”. В нем высота образца не превышает двух дюймов, зато на эту величину приходится 1600 точек (800 dpi). Тем не менее большинство 3D-принтеров имеют сходные и даже более высокие характеристики: например, разрешение отнюдь не hi-end-устройства Eden 250 от Objet, работающего по той же самой технологии, составляет 300х600 dpi в горизонтальной плоскости и 1600 dpi в вертикальной (что совпадает с упомянутыми в тексте 0,16 мм толщины слоя). Причем это действительно для любого размера образца, вплоть до максимальных 200 мм по высоте. Разница в цене девайсов минимальна, Eden 250 даже чуть дешевле, да и габаритами поменьше, при почти такой же максимальной величине образца. Так что термин "высокая четкость” в данном случае следует считать просто удачной рекламной находкой. Конечно, если 3D Systems и правда удастся снизить цену, пусть не до двух, но хотя бы до пяти тысяч долларов, то цены ему, извините за каламбур, не будет.

Компания Сybercom (ООО «НИЦ Кибернетики и Автоматики»), являющаяся официальным дистрибьютором американской компанииZCorporation в России и странах СНГ, представила на российском рынке первый цветной офисный 3D-принтер ZPrinter450.

Как сообщается в опубликованном пресс-релизе, данный аппарат предназначен для печати качественных цветных 3D-моделей из CAD-файлов без дополнительного оборудования. При этом уникальный уровень автоматизации значительно упрощает весь процесс создания трёхмерных моделей, а автоматический контроль и диагностика охватывают почти все аспекты печати, сокращая тем самым время контактирования пользователя с принтером на 40%. Более того, ZPrinter450 был специально создан для использования в офисе, является экологически чистым устройством и не требует много места для установки.

Основные технические характеристики новинки таковы:

- максимальные размеры получаемого отпечатка: 203 x 254 x 203 мм;
- разрешение печати: 300 x 450 dpi;
- толщина слоя: 0,089 – 0,102 мм (выбирается пользователем во время печати);
- скорость печати: 2 – 4 слоя в минуту;
- одна трёхцветная и одна монохромная печатающие головки;
- новые закрытые картриджи со связующим веществом, которые просто устанавливаются в принтер;
- активное и пассивное сдерживание порошковой пыли;
- замкнутая система загрузки, удаления и повторного использования порошка;
- отсутствие опасных жидких отходов;
- усовершенствованные дисплей и интерфейс принтера.

Агрегат имеет габаритные размеры 1220 x 790 x 1400 мм, весит 193 кг и поставляется в комплекте со специальным программным обеспечением ZPrint, работающим с трёхмерными моделями в форматах STL, VRML и PL.

Невозможно назвать ни одну область человеческой деятельности, которую бы не затронул технический прогресс с его ошеломляющими темпами. Причем о революционных преобразованиях, касающихся повседневного быта миллионов людей, мы узнаем фактически в реальном времени – о существовании электронной почты, мобильной связи или цифровой фотографии осведомлен любой человек, даже ни разу в жизни не державший в руках "Компьютерру”. Но есть такие сферы деятельности, где изменения гораздо меньше заметны широкой публике, однако их значимость от этого ничуть не меньше. К таким сферам, безусловно, относится 3D-печать.

Нечастые сообщения в СМИ о новых технологиях изготовления трехмерных моделей "вживую”, в пластике или металле, своей тональностью обычно лишь свидетельствуют о непонимании журналистским сообществом всей глубины революционных преобразований в этой области. То, что технологии 3D-печати уже перестали быть просто игрушкой для дизайнеров и художников, доказала фирма Lockheed Martin, продемонстрировавшая на аэрошоу в Англии в 2006 году беспилотник-невидимку P175 Polecat. Львиная доля элементов конструкции этого сверхзвукового аппарата с размахом крыльев 27 метров была изготовлена на 3D-принтерах. Впрочем, большинство современных технологий 3D-печати уходят корнями в конец 1980-х годов.

Лазерные: SLA и другие

Первой использовавшейся на практике технологией для автоматического изготовления физических моделей из пластика по компьютерным "чертежам” была стереолитография (SLA), придуманная американским инженером Чарльзом Халлом еще в 1986 году. Халл основал компанию 3D Systems, которая и поныне является одним из главных производителей 3D-принтеров.

Принцип стереолитографии заключается в использовании фотополимера в жидком состоянии, поверхность которого отверждается лучом УФ-лазера в соответствии с рисунком текущего слоя (здесь обычно добавляют, что подобные фотоотверждаемые полимеры издавна применяются дантистами для пломбирования зубов). Рисунок получается послойной "нарезкой” исходной компьютерной 3D-модели с помощью специального софта. После формирования текущего слоя стол с моделью опускается на толщину слоя, а поверхность с помощью специального выравнивателя опять заливается жидким полимером, из которого формируется следующий слой. Готовый образец промывается, дабы удалить остатки полимера, и некоторое время выдерживается под УФ-лампой для окончательного затвердевания.

На SLA-принтерах можно печатать довольно крупные изделия (до 75 сантиметров по максимальному габариту). Такой принтер даже с не очень большим рабочим объёмом (например, 250х250х250мм) представляет собой внушительное устройство величиной со шкаф и весом полтонны. Современные SLA-принтеры имеют самую высокую точность среди своих собратьев (так, аппараты от 3D Systems позволяют выдержать толщину слоя в одну-две тысячные дюйма – 0,025–0,05 мм), в них получаются гладкие и прочные модели с отличной проработкой мелких деталей. Недостатки их – крайняя медлительность (скорость роста образца – несколько миллиметров в час по высоте заготовки), ограниченный ассортимент исходных материалов и дороговизна. Цена таких принтеров обычно не указывается (ибо продаются они поштучно), но, порывшись в Сети, можно узнать, что для модели Viper SLA (не самой дешёвой, правда) она начинается от 150 тысяч евро. Видимо, по этой причине SLA-продукты 3D Systems в нашей стране не очень популярны.

Модель видеокамеры из порошка сразу после "печати” на устройстве Zprinter 650 (z corporation)

Версия SLA-технологии под названием SGC (Solid Ground Curing) работает гораздо быстрее, но и с несколько меньшим разрешением. В первоначальном варианте, разработанном израильской фирмой Cubital еще в 1987 году, процесс напоминал ксерокопирование: на специальном стекле с помощью тонера формируется маска текущего слоя, через которую фотополимер засвечивается уже не лазером, а УФ-лампой сразу по всей поверхности. В современной модификации вместо маски используют DLP-матрицу, как в проекторах изображений. Такой SGC-аппарат (например, Perfactory от немецкой фирмы EnvisionTEC) может иметь скорость печати до 20 мм/час и разрешение по высоте (минимальную толщину слоя) 0,1 мм. Стоит Perfactory (за рубежом) около 55 тысяч евро.

Недостатка, заключающегося в специфичности и дороговизне исходного материала, лишены лазерные 3D-принтеры, использующие технологию спекания (Selective Laser Sintering, SLS). Метод был запатентован в 1989 году выпускником Техасского университета Карлом Декардом. SLS-принтер устроен гораздо проще, чем SLA: луч лазера плавит предварительно подогретый почти до температуры плавления порошок, формируя рисунок слоя. После его застывания насыпается очередная порция порошка, и формируется следующий слой. Очевидное преимущество такого подхода - возможность использования почти любого термопластичного материала, от полимеров до воска. Кроме того, модели, изготовленные по такой технологии, считаются самыми прочными. Разрешение SLS меньше, чем у SLA, а скорость работы выше (например, для принтеров EOSINT немецкой фирмы EOS толщина слоя – 0,1–0,15 мм, скорость формирования слоев – до 35 мм/час). Недостатки – поверхность изделий получается шероховатой, и требуется относительно большое время подготовки к работе, то есть для нагрева исходного полимера и стабилизации температуры.

Зато SLS-принтеры обладают одним очень полезным свойством: они позволяют "печатать” металлические изделия. Делается это при помощи специального порошка, представляющего собой стальные частицы, покрытые полимером. Модель, изготовленная на принтере из порошка, помещается в печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой, в результате получается очень прочное композитное изделие. Есть также порошки на основе стекла или керамики, из них получают термостойкие и химически стойкие детали.

Традиционно в обзорах 3D-принтеров упоминается LOM-технология (Laminated Object Manufacturing), изобретенная Михаилом Фейгеном еще в 1985 году. Здесь лучом лазера раскраивают листовой материал, в качестве которого может выступать что угодно (бумага, ламинат, металлическая фольга и даже керамика), а затем нагреваемые валки склеивают полученные слои друг с другом. Недостатки метода понятны: грубая поверхность изделий, возможность расслоения и ошибок при не полностью прорезанном листе. Зато можно без проблем удалить испорченные слои и сделать их заново. Судя по результатам в поисковых системах (точнее, по их отсутствию), подобные принтеры уже не в моде, тем не менее на сайте фирмы Landfoam можно увидеть восхитительные образчики ландшафтов и архитектурных объектов, изготавливающихся по заказам с помощью подобной технологии.

К сожалению, повторимся, лазерные 3D-принтеры любого типа очень дороги: так, цена SLS-устройств фирмы EOS, которые даже трудно назвать принтерами из-за их размеров, вполне может достигать миллиона долларов. А вот цены другой разновидности 3D-принтеров – струйных- становятся все демократичнее.

Струйные

Самый очевидный струйный способ 3D-печати: выдавливание жидкого полимера на поверхность заготовки. Таким образом работает технология FDM (Fused Deposition Modeling), идея которой принадлежит Скотту Крампу, основателю компании Stratasys. Первый принтер по технологии FDM был выпущен в 1991 году. Сейчас Stratasys выпускает несколько разновидностей FDM-принтеров, из которых наиболее известна у нас серия Dimension (по названию одноименного подразделения компании). Машины Dimension – одни из самых дешевых среди 3D-принтеров, цена моделей начального уровня опускается ниже $20 тысяч, а в январе Dimension анонсировала "персональный” 3D-принтер uPrint дешевле $15 тысяч. Впрочем, более "продвинутые” FDM-устройства (вроде FDM Titan) могут стоить и вдесятеро больше. Что же нам предлагают за эти деньги?

FDM-принтеры используют нить термопластичного пластика (в дешевых Dimension применяется менее прочный и стойкий полистирол АВС, в более дорогих – поликарбонат РС), которая расплавляется и через фильеру укладывается печатающей головкой на поверхность образца. Так как тонкие нависающие элементы могут деформироваться в процессе печати, в головке предусмотрена вторая фильера, при необходимости автоматически формирующая элементы поддержки. Из готового изделия эти элементы вымываются водным раствором в ультразвуковой ванне. Изделия получаются гладкими и прочными, однако точность изготовления невелика: лучшие FDM-модели имеют толщину слоя 0,127 мм, рядовые – 0,178 мм и более. Кроме того, процесс довольно медленный.

В принципе FDM-принтеры позволяют получать многоцветные образцы (стандартно доступно до семи цветов пластика, или любой другой цвет по специальному заказу), но для этого нужно менять картридж с нитью по ходу работы. Заметное достоинство принтеров от Stratasys- способность работать по принципу plug&play, все операции предельно автоматизированы. Говорят, NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на "космическую фабрику”.

Другой способ струйной печати под названием Polyjet разработан израильской фирмой Objet Geometries, чьи устройства с красивым названием Eden ("Эдем”) хорошо известны, в том числе и в нашей стране. Polyjet является родственником лазерной технологии SLA, только вместо ванны с жидким фотополимером используется струйная головка, выдавливающая его на поверхность детали. Затем, как в технологии SGC, полимер отверждается под ультрафиолетовой лампой. Цена "Эдемов” довольно велика – $60–100 тысяч для начальных "офисных” моделей, что, впрочем, в несколько раз ниже, чем у SLA-аналогов. Скорость работы – около 20 мм/час, толщина слоя – от 0,16 мм.

На том же принципе основана технология Multi-Jet Modeling от знакомой нам 3D Systems. Год назад на выставке SolidWorks World 2008 эта фирма продемонстрировала 3D-принтер под названием ProJet HD 3000 3-D Production System и пообещала в течение ближайшей пятилетки опустить его цену ниже 2000 долларов, во что верится с большим трудом: пока за рубежом его предлагают за $68–70 тысяч. Новость быстро разнеслась не в последнюю очередь благодаря удачному маркетинговому ходу: мол, ProJet относится к устройствам "высокой четкости” (на что указывают буковки HD), хотя многие другие 3D-принтеры ничуть не менее "высокочеткие”.

О высокой четкости и маркетинговых ухищрениях

Точность работы ProJet HD 3000 3D Production System, судя по спецификациям, довольно высока: 0,001–0,002 дюйма, что характерно для продукции 3D Systems. А вот под "высокой четкостью”, видимо, подразумевается, что кроме стандартного режима (разрешение 328х328х606dpi, то есть 0,08 мм по горизонтали и 0,05 мм по вертикали) есть специальный режим "ультравысокой четкости”. В нем высота образца не превышает двух дюймов, зато на эту величину приходится 1600 точек (800 dpi). Тем не менее большинство 3D-принтеров имеют сходные и даже более высокие характеристики: например, разрешение отнюдь не hi-end-устройства Eden 250 от Objet, работающего по той же самой технологии, составляет 300х600 dpi в горизонтальной плоскости и 1600 dpi в вертикальной (что совпадает с упомянутыми в тексте 0,16 мм толщины слоя). Причем это действительно для любого размера образца, вплоть до максимальных 200 мм по высоте. Разница в цене девайсов минимальна, Eden 250 даже чуть дешевле, да и габаритами поменьше, при почти такой же максимальной величине образца. Так что термин "высокая четкость” в данном случае следует считать просто удачной рекламной находкой. Конечно, если 3D Systems и правда удастся снизить цену, пусть не до двух, но хотя бы до пяти тысяч долларов, то цены ему, извините за каламбур, не будет.

Видимо, по той же технологии должен работать принтер от Desktop Factory с ценой якобы ниже $5000. Пару лет назад СМИ заполонили сообщения о начале предварительного приема заказов на этот принтер, однако, судя по официальному сайту фирмы, она и до сих пор продолжает их принимать. Так что о дешёвых домашних устройствах 3D-печати, несмотря на широковещательные заявления, пока остается лишь мечтать, но, с другой стороны, давно ли мы убивались по поводу дороговизны цветной лазерной печати?

Наконец, ещё один популярный способ струйной 3D-печати под простым названием 3DP (Three-Dimensional Printing) был разработан в Массачусетском технологическом институте, и в настоящее время на этой ниве трудится в основном фирма Z Corporation. Способ состоит в склеивании порошка твердого материала (гипса, целлюлозы, керамики, крахмала) компаундом, выдавливаемым из печатающей головки. Уникальность способа в том, что это единственный из методов 3D-печати, позволяющий получать модели с 24-битным цветом. В цветных 3D-принтерах от Z Corporation (например, Spectrum Z510¹), как во всяком приличном струйнике, имеются четыре печатающие головки с компаундом основных CMYK-цветов. Разрешение обычное для подобных методов (толщина слоя 0,1 мм), скорость работы одна из самых высоких – 25–50 мм/час по высоте модели. Недостаток 3DP очевиден: модели получаются не слишком прочными и с зернистой поверхностью. Правда, их можно упрочнить закрепляющим составом или пропитать специальным резиноподобным полимером, получив гибкие модели, а с применением особого порошка можно делать готовые к применению литьевые формы (технология Zcast), что недоступно технологиям, использующим пластик. Причем принтеры Z Corporation дешевле других² и в целом довольно популярны, в том числе и у нас.

Вообще, разновидностей технологий 3D-печати еще довольно много, но в основном они представляют собой ту или иную модификацию перечисленных. Так почему я с самого начала заговорил о революции?

Кому и зачем?

О главном назначении всех технологий 3D-печати недвусмысленно говорит их часто употребляемое общее название – rapid prototyping (RP), быстрое изготовление прототипов. Сегодня без 3D-принтеров не могут обойтись медицинское моделирование (протезирование, моделирование органов и пр.), обувная промышленность, мелкосерийное литейное производство, картография, геодезия, ландшафтный и архитектурный дизайн и многие другие отрасли. В машиностроении, автомобильной или авиационной промышленности проведение конструкторских работ без технологий быстрого прототипирования уже и не мыслится. Любопытно, что при подготовке этой статьи я сплошь и рядом натыкался на сайты, посвященные ювелирному делу: оказывается, представители этой старинной профессии чуть ли не первыми взяли RP-технологии на вооружение. Не страдают RP-технологии от недостатка внимания и со стороны художников-скульпторов.

Из-за дороговизны 3D-принтеры нередко сдают в лизинг, или фирмы просто предлагают изготовить модели по вашим оригиналам. Стоит последняя услуга в России в среднем около доллара за кубический сантиметр готовой модели для технологий типа 3DP, но, конечно, цена сильно зависит и от объёма заказа, и от материала, и от технологии. Специалисты уже мечтают о Distance Manufacturing on Demand (DMD, "дистанционное производство по требованию”): составил 3D-модель, отправил по Интернету – получил готовый заказ по почте. Эдакое производство на диване. Несомненно, так и будет, когда 3D-печать подешевеет до приемлемого уровня, и вряд ли этого придется ждать дольше, чем в других областях.

                  3D- модели сделанные на принтере

Дита фон Тиз примерила платье, напечатанное на принтере

Необычной одеждой никого не удивишь: мир уже узнал о платье, изготовленном из деталей автомобиля, а также о наряде, произведенном из вина при помощи бактерий. Однако сегодня мы расскажем еще об одном уникальном платье - распечатанном на принтере