Як працюють 3D-принтери?

Саму ідею створення 3D-принтера приписують чи не творцям телесеріалу «Зоряний шлях» - в оригінальних серіях 1966 року було показано пристрій для друку «готових страв під назвою Food Synthesizer, воно всемогутній Replicator з наступних сезонів.

Насправді, прабатьками 3D-принтерів прийнято вважати токарні та фрезерні верстати з простими елементами автоматизації, які дозволяли виготовляти з дерева або металу деталі самої вигадливої форми. Так, громіздка і енергоємне промислове устаткування призвело до появи компактного 3D-принтера для дому. Знайомий сценарій, чи не так?

3D-друк починається з підготовки креслення (3D-моделі), який можна завантажити з Інтернету (часто у форматі STL), намалювати самому в САПР-додатку або створити за допомогою 3D-сканера, оцифровав практично будь-який реально існуючий об'єкт. Тандем з принтера і сканера з приставкою «3D» у назві взагалі являє собою саму що ні на є справжню машину для клонування.

За аналогією з пристроями для традиційної друку, існуючі на даний момент 3D-принтери можна розділити на дві категорії - лазерні і струменеві.

У свою чергу, лазерна 3D-друк може здійснюватися по одній з трьох технологій:

• Засвітка. Ультрафіолетовий лазер або лампа засвічує рідкий фотополімери, в результаті чого він твердне і знаходить потрібну форму. Перед використанням створеної таким способом деталі її необхідно промити, щоб позбутися залишків рідини.
• Плавлення. Подрібнений легкоплавкий пластик піддається впливу лазерного променя для виплавки деталі потрібної форми, після чого зайвий порошок просто стряхивается.
• Ламінування. Дана технологія по своїй суті нагадує процес виготовлення вафель. Шари робочого матеріалу накладаються один на одного, поступово формуючи об'ємну деталь, при цьому кожен вирізаний лазером шар має унікальну форму.

Технологій ж струменевого 3D-друку існує на одну менше:

• Ліплення. За допомогою друкувальної голівки здійснюється дозування розігрітого термопластика краплі якого на повітрі склеюються між собою і миттєво застигають.
• Склеювання. У якості робочого матеріалу, як і у випадку технології лазерного плавлення, виступає порошкоподібний пластик. Ось тільки при струменевого друку окремі крупиці поєднуються між собою за допомогою клею, подається через друкувальну голівку. При цьому в клей часто підмішують барвник, що дозволяє друкувати деталі різних кольорів.

З урахуванням можливостей, цільової аудиторії і, відповідно, ціни всі сучасні моделі 3D-принтерів можна розділити на три групи: споживчі, професійні та промислові.

Вартість споживчих 3D-принтерів станом на кінець минулого року стартувала з оцінки $500: більшість моделей даної цінової категорії являли собою похідні від вільного проекту RepRap 2.0 Mendel.

Друк складних за формою деталей з допомогою споживчих 3D-принтерів займає багато часу, так і використовується в якості основи пластик не відрізняється особливою міцністю. Але зі своєї безпосередньої завданням - створенням поштучних дрібничок як хобі - вони відмінно справляються.

На початку 2013 року на краудфандинговом сайті Kickstarter почався збір коштів відразу для декількох перспективних проектів зі створення ще більш доступних споживчих 3D-принтерів. Схоже, на ринку домашньої 3D-друку відбудеться черговий обвал цін.

Куди більш широкі можливості порівняно з споживчими пропонують професійні 3D-принтери, ціни на які починаються з $30 000. Таке обладнання досить громіздка (розміром із шафа), енергоємне і гучне, тому встановлювати його будинку навряд чи хоч хтось зважиться. До того ж, для обслуговування професійних 3D-принтерів потрібно спеціально навчена людина - оператор. Але «агрегат» швидко окупить витрати на свою покупку і обслуговування, адже здатний друкувати деталі з високоміцних композитних матеріалів, з високою точністю, та ще й по кілька штук за раз, причому необов'язково однакових.

І нарешті, найпотужніші з існуючих 3D-принтерів іменуються промисловими, оскільки здатні «штампувати» великі за розміром вироби або дрібні деталі, але цілими партіями. Для такого обладнання майже немає неможливих завдань: вони здатні працювати цілодобово, «пережовуючи» будь-який завантажений в них робочий матеріал - від податливого пластику до титанових сплавів. Вартість у промислових 3D-принтерів, ясна річ, рекордно висока - від $300 000 за просто «скорострельные» моделі до $1 млн за «всеїдних монстрів».

Якщо не для всіх, то вже точно для багатьох галузей науки, економіки та побуту 3D-принтери можуть стати саме тією «чарівною паличкою», якої вже багато років не вистачало для серйозного технологічного прориву. Складно навіть виділити одне-два ключові напрями використання 3D-друку, але ми все-таки спробуємо.

Медицина - одна з найбільш бурхливо розвиваються наук, але людських знань в даній області досі недостатньо, щоб раз і назавжди забути про прикре словосполученні «невиліковна хвороба». 3D-принтери вже повним ходом застосовуються для створення зубних протезів, за формою близьких до ідеалу, так чому медикам інших професій не перейняти наявні у стоматологів напрацювання?

Друга за значимістю сфера застосування 3D-принтерів - космічні дослідження. Не так давно було прийнято рішення встановити 3D-принтер на Міжнародній космічній станції. Такий підхід дозволив космонавтам, що перебувають на МКС, оперативно одержувати необхідні для їх експериментів деталі, а не чекати тижнями прибуття човника з Землі, як це було раніше.

Далі - більше: самовідтворюються 3D-принтери, як то RepRap, в майбутньому дозволять стаханівськими темпами зводити міста на Місяці та Марсі. Фантастика? Може, й так, але ж показаний в телесеріалі ««Зоряний шлях» 3D-принтер в 1966 році теж здавався нереальним і навіть абсурдним.