Третья промышленная революция. О 3D-принтерах подробно и с видео

Прошедшая в начале января выставка CES повергла нас в шок. Основой шоу, которое в начале каждого года проводится в Лас-Вегасе, служили несколько десятков стендов компаний, выпускающих 3D-принтеры. Много времени было уделено корпоративному сегменту. Однако большинство игроков на 3D-рынке представили и «обычные» пользовательские модели, о которых мы обязательно расскажем далее.

Неужели эра 3D-печати настала?

Что такое 3D-печать?

Что же такое 3D-печать? В металлургии и машиностроении, как известно, деталь получают путем вычитания материала. То есть рабочий берет заготовку, устанавливает ее на станок и при помощи режущего инструмента (резцов, фрез, долбяков, шлифовальных кругов и так далее) удаляет лишнее. Основой 3D-печати служит аддитивность, то есть сложение материала и создание определенной конструкции. Шаг за шагом, согласно трехмерному чертежу, 3D-принтер наносит слой пластика. То есть процесс происходит «с нуля». К 3D-печати относят и порошковое спекание полимерных элементов, а также металлических пудр.

Источник изображения

Понятие «3D-печать» может завести неподготовленного пользователя в тупик, так как многие сразу же начинают проводить параллели с обычной бумажной печатью. Да, 3D-принтер создает предмет. Но для этого сначала необходимо разработать в одной из САПР-программ трехмерный чертеж. Затем его необходимо оптимизировать в приложении, с которым работает конкретный принтер. Следом нужно откалибровать само устройство. И только потом начать печатать. То есть процесс создания полноценного предмета состоит из нескольких нетривиальных этапов, просто нажать на кнопочку «печать» не получится.

А раз так, то очевидно, что 3D-принтер дома вряд ли пригодится какой-нибудь домохозяйке. Да и дети, очевидно, вряд ли будут развлекаться с такой дорогой «игрушкой». Круг людей, которым может пригодиться 3D-принтер, достаточно узок. В первую очередь, это инженеры, архитекторы, дизайнеры и ювелиры. Очень часто случается так, что проектируемую вещь необходимо подержать в руках. В быту 3D-принтер может пригодиться в качестве ремонтного станка. Например, когда потребуется сделать какую-нибудь деталь, которую просто так не купишь в магазине: отломавшуюся ручку мебельного гарнитура или еще что-то. Вопрос заключается в том, будете ли вы с этим «заморачиваться»?

3D-печать — это модный тренд! Появление общедоступных 3D-принтеров называют третьей промышленной революцией! И не зря. Последнюю сотню лет промышленность держится на эффекте масштаба. Правило машиностроения незыблемо: чем больше вещей сделать в партии, тем дешевле будет стоить один экземпляр. Однако конечную стоимость продукта определяют не только производство, но и логистика с транспортировкой. С повсеместным применением 3D-принтеров от этой длинной цепочки можно будет отказаться. Будет достаточно раздобыть чертеж (например, купить его) и напечатать у себя дома или в каком-нибудь центре 3D-печати. Можно наладить и небольшое штучное производство.

Эволюция 3D-печати. Начало эпохи DIY

Принято считать, что эпоха «домашней» 3D-печати началась в 2010 году, когда была выпущена модификация 3D-принтера Prusa Mendel, разработанная чешским инженером Иосифом Прусса. Однако сама технология берет свое начало еще в 80-х годах прошлого века. Это так называемая стереолитография SLA (Stereo Lithography), разработанная Чарльзом Халлом в 1984 году и запатентованная двумя годами позже. В 1986 году был собран и первый 3D-принтер, а также основана компания 3D Systems.

Примечательно, что понятия «3D-печать» среди энтузиастов и технологов не существовало вплоть до 1995 года. А пока в том же 1986 году была разработана технология селективного лазерного спекания полимеров — SLS (Selective Laser Sintering).

Два года спустя Скоттом Крампом была изобретена технология послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling). Именно она является самой распространенной, потому что имеет относительно небольшую стоимость как материалов, так и амортизации оборудования. На сегодняшний день именно FDM-принтеры наиболее часто применяются в домашних условиях. Считается, что первое подобное устройство было выпущено в 1991 году.

На протяжении десятилетия в индустрии 3D-печати происходило относительное спокойствие. В 2000 году была разработана технология PolyJet.

В 2005 году было создано сообщество энтузиастов RepRap. В основе проекта лежат две идеи:

• любой принтер RepRap может напечатать другой принтер RepRap;
• все разработки устройств 3D-печати находятся в открытом доступе.

«RepRap — изобретение, которое сметет глобальный капитализм, начнет вторую промышленную революцию и спасет окружающую среду…» — было написано на первой полосе The Guardian. Не будем вникать в подробности, почему именно речь идет о второй промышленной революции. Здесь все зависит от того, от какого фундамента отталкиваться при синтезировании тех или иных определений.

За восемь лет было разработано четыре поколения 3D-принтеров RepRap. Однако даже сейчас задача воспроизводить одно RepRap-устройство другим не выполнена. Одно дело — печатать пластиковые детали; другое — создавать микроэлектронику и металлические элементы конструкции экструдера.

В 2010 году ученым удалось напечатать искусственный 3D-сосуд. Сейчас же идет разработка по созданию полноценных человеческих органов. В качестве «материала» используются стволовые клетки.

В то же время инженеры сумели разработать простенькие пищевые 3D-принтеры, которые могут печатать, например, конфеты или пиццу.

Уже известно, что, начиная с этого года, крупнейшие IT-компании начнут свою полномасштабную экспансию на рынке 3D-печати. Так, в Epson заявили о намерении производить в больших масштабах промышленные 3D-принтеры. А вот HP желает возглавить отрасль FDM-печати.

Основные технологии 3D-печати

На сегодняшний день существует множество технологий объемной печати, но все они так или иначе делятся на несколько методов.

В 3D-принтинге (для лучшего понимания) чертеж принято называть моделью, а полученный предмет — макетом.

Методы печати

Интересно, что методы 3D-печати чем-то напоминают методы обычной (читай — 2D) печати на бумаге.

• Спекание SLS (Selective Laser Sintering). Материал в виде порошка наносится тонким слоем, а затем спекается при помощи лазера. Так, слой за слоем, создается макет.
• Экструзия, или нанесение термопластов (FDM — Fused Deposition Modeling). Сопло принтера (экструдер) расплавляет материал до жидкого состояния и наносит его тонким слоем. Охлаждаясь, пластик вновь кристаллизуется.
• Фотополимеризация. Сопло принтера наносит тонкий слой жидкого фотополимера, который под действием ультрафиолетового облучения затвердевает.
• Стереолитография SLA (Stereo Lithography). Участок жидкого фотополимера засвечивается лазером и затвердевает. Затем образованный затвердевший слой снова помещают в жидкий полимер и засвечивают лазером. Так появляется второй слой.

В зависимости от метода 3D-печати устройство может быть как монохромным, так и цветным. FDM-принтеры, работающие по принципу экструзии, печатают макеты только одним цветом. Хотя есть модели с несколькими печатающими головками, в каждую из которых можно загрузить нить разного цвета.

3D-принтеры, работающие с порошками, могут печатать в цвете. На данный момент друг с другом конкурируют два промышленных типа устройств: ZPrinter (модели 650 и 850), позволяющие за счет пяти печатающих головок создавать 390000-цветный макет из материала на основе гипса, и Mcor Iris, поддерживающий один миллион цветов, у которого в качестве рабочего вещества используется бумага. С одной стороны, это хороший показатель. С другой стороны, современный TFT-экран может передавать до 16 млн цветов.

Принтеры, работающие по SLS- и SLA-технологии, могут печатать только белым или полупрозрачным. Хотя никто не запрещает потом самостоятельно покрасить макеты.

Сейчас существуют технологии, позволяющие печатать многоцветным пластиком. И компания 3D Systems, и Stratasys уже представили готовые решения. Однако назвать их надежными и безотказными пока рано, что и показала прошедшая в Лондоне выставка 3D Printshow.

Обычных пользователей больше всего интересует экструзивный метод. Поэтому предлагаем поговорить о нем более подробно. Начнем с материалов, которые используются в FDM-принтерах.

Используемые материалы

На сегодняшний день широко используются два типа материалов.

• АБС (акрилонитрилбутадиенстирол). Непрозрачный пластик, на производство одного килограмма которого требуется примерно 2 кг нефти. Эластичный и ударостойкий. Плавится при температуре 113 градусов Цельсия и застывает в диапазоне температур 90-103 градуса Цельсия. Из него, кстати, делают кубики LEGO.
• ПЛА (полилактид). Биоразлагаемый материал — полиэфир. Получают из кукурузы и сахарного тростника. Кристаллизуется уже при 60 градусах Цельсия. Характерен тем, что обеспечивает более высокое качество и точность печати, однако имеет более хрупкую структуру.

Периодически можно встретить и третий материал — ПВС (поливиниловый спирт). Это растворимый в воде полимер. На данный момент используется не так часто, к тому же стоит дороже и АБС, и ПЛА.

Технология FDM

Итак, вот мы и добрались до технологии FDM — технологии, на базе которой работают все «домашние» 3D-принтеры. Основа работы — это подача материала в виде тонкого прутика в печатающую головку (экструдер). Под действием высоких температур вещество начинает плавиться и распыляться через сопло диаметром всего несколько микрометров. За счет электродвигателей будущий предмет «размазывается» по станине. Сначала делается опора, чтобы макет не сдвинулся. Затем создаются слои, слои, слои.

Источник изображения

Китайская народная мудрость гласит, что человек может бесконечно на три вещи: как горит огонь, как течет вода и как работает другой человек. Мы бы добавили сюда еще и процесс 3D-печати.

Надо понимать, что у любой технологии существуют свои ограничения. Первое — это размеры. Каждый принтер имеет определенную область, в которой он может работать. Однако стоит учесть, что макет можно печатать по частям и потом соединить его при помощи бесшовного склеивания.

Второе ограничение — это конструкция макета. К сожалению, 3D-принтерам (в том числе и промышленным) не все подвластно. Если говорить о FDM-печати, то на таком принтере, например, нельзя напечатать макет, в который будет помещен еще один макет. Такие предметы «принтятся» только при помощи порошкового спекания.

Про цвет мы уже писали. FDM-принтеры могут печатать только в одном цвете или нескольких, если устройство оснащено дополнительным экструдером. К счастью, катушки с АБС-пластиком продаются, как говорится, на любой вкус. Повторимся, макет можно всегда покрасить.

Третье ограничение — это опыт проектировщика. Как ни крути, но необходимо работать с САПР. Одно дело — печатать простенькие 3D-модельки. И совсем другое — создавать по-настоящему сложные предметы. К тому же каждый 3D-принтер необходимо настраивать и калибровать. На настройку сверхдорогого промышленного оборудования может уйти до полугода.

Интересный факт №1

Не все, что создается при помощи 3D-печати, может пойти на пользу человечеству. Мы уже писали про первый пистолет, созданный при помощи принтера. Проблема заключается в том, что человек, раздобыв чертеж, может самостоятельно распечатать «ствол» и использовать его по назначению. Как показывает практика, прочности пистолета хватает, чтобы выполнить один выстрел. И этого достаточно, чтобы совершить преступление.

Еще один вариант «вероломной» 3D-печати — создание одноразовых дубликатов ключей. Можно сделать как копию ключа от дома, так и, например, от наручников. Как показывает практика, это вполне возможно. Немецкий хакер Ray (неудивительно, что человек скрывает свое настоящее имя) открыто хвастался в Сети своими достижениями в области печати подобных ключей.

RepRap versus коммерция

RepRap не просто так называют предком большинства существующих FDM-принтеров, которые находятся в свободной продаже. Мы уже описали основные лейтмотивы этой, без преувеличения, семьи энтузиастов. За несколько лет было создано четыре поколения 3D-принтеров. Но до сих пор у сообщества нет централизованного канала продажи деталей.

Парадокс заключается в том, что RepRap практически вырастило несколько коммерческих предприятий, которые начали дистанцироваться от сообщества. Эти компании получают весьма большую долю обструкции среди энтузиастов, но, как известно, собака лает, а караван идет.

Одной из первых «отделившихся» является компания Makerbot Industries, специализирующаяся на домашних FDM-принтерах. За счет инвестиций извне (так, основатель Amazon Джефф Безос вложил в проект порядка 10 млн долларов США) фирме удалось хорошо раскрутиться. Компания выпустила четвертое поколение модели Replicator и не стала выкладывать чертежи в открытый доступ.

Ситуация между RepRap и Makerbot Industries, несомненно, имеет две стороны медали. Если бы глава компании Бре Петис (в прошлом активный деятель сообщества, между прочим) не дистанцировался от энтузиастов и не начал продавать свои решения, то, возможно, 3D-печать и не получила бы такую популярность, которую она имеет сейчас.

Популярные модели

На сегодняшний день существует достаточно много полностью готовых 3D-принтеров, которые спокойно можно использовать дома. Мы отобрали, на наш взгляд, две самые популярные модели, о которых расскажем вам вкратце, а также одну потенциальную «бомбу», которая может перевернуть с ног на голову рынок домашней 3D-печати.

Replicator 2 — это четвертое поколение 3D-принтеров MakerBot. Было сломано немало копий, однако вся шумиха, поднятая вокруг устройства и компании, только пошла им на пользу. Как известно, черный PR — это тоже PR. Replicator 2 можно по праву считать одним из самых популярных 3D-принтеров современности. В российской рознице устройство стоит порядка 110 000 рублей. Также есть версия 2X, оснащенная сразу двумя печатающими головками. Она стоит примерно 150 000 рублей.

Постарались на славу не только инженеры, но и дизайнеры. Печатающее устройство выглядит стильно и действительно напоминает конечный продукт. Хотя с практической точки зрения толку от защитного корпуса нет. Коммерческие FDM-принтеры при работе практически не разбрызгивают расплавленный материал.

Replicator 2 может работать как с АБС-пластиком, так и с полиэфиром.

3D-притер Cube производства компании 3D Systems был представлен в 2012 году. На сегодняшний момент это одно из самых доступных домашних устройств. В российской рознице его можно приобрести за 91 000 рублей. Отличительной особенностью Cube является наличие Wi-Fi-модуля.

Изделие 3D Systems считается одним из самых простеньких 3D-принтеров. Станина печатного «станка» выполнена из закаленного стекла, а не из стали. Она маленькая: макет не может превышать габариты 140х140х140 мм.

3D-принтер работает как с АБС-, так и с ПЛА-пластиками. Cube взаимодействует только с фирменными картриджами, стоимость которых начинается от 2 700 рублей. Одной такой катушки, как правило, хватает на 13-15 макетов максимального размера.

На выставке CES 2014 китайская компания XYZprinting представила, пожалуй, самый дешевый 3D-притер в мире. Устройство под названием da Vinci 1.0 будет продаваться по цене 499 долларов США. Невероятная цена! Дешевле будет стоить только самостоятельная сборка из купленных запчастей.

На выставке были представлены полностью работающие прототипы, однако 3D-принтер по-прежнему отсутствует в открытой продаже. Нет возможности осуществить предзаказ. Интересно, что-то пошло не так? Или da Vinci 1.0 — это всего лишь бутафорский девайс, призванный скорее попиарить китайского производителя? Возможно, расходные материалы для этого 3D-принтера будут стоить очень дорого.

Есть и другой вариант. XYZprinting может попросту наладить массовое производство da Vinci 1.0. Мы уже выяснили, что чем больше выпускается продукта, тем дешевле он стоит. Как бы там ни было, нужно подождать, пока устройство появится в открытой продаже.

За кадром остались такие популярные решения, как UP! Plus 2 и Ultimaker 2, но они однозначно достойны вашего внимания.

Наконец, стоит уделить пару предложений 3D-сканерам. В связке с 3D-принтером получается самое настоящее 3D-МФУ. Существуют как портативные сканеры, так и полномасштабные, позволяющие, например, отсканировать человека во весь рост.

Очумелые ручки

Конечно же, 3D-принтер можно собрать и самому. Для этого необходимо закупить запчасти и поработать паяльником. Например, RepRap Open-Source Line можно приобрести по цене 470 долларов США. Следует учесть, что сборка 3D-принтера — занятие далеко не тривиальное. Например, «станки» Prusa Mendel собираются от 16 до 24 часов. При этом нужно сверлить отверстия для сборки корпуса и основания, а также паять микросхемы.

В общем, сборку полноценного 3D-принтера осилит не каждый. И даже после этого устройство необходимо будет откалибровать, а также разобраться с софтом. Коммерческие решения все же оснащены полноценным ПО, которое постоянно обновляется.

Интересный факт №2

Понятие «3D-печать» весьма условное. Необязательно какой-либо предмет должен быть создан из пластика или порошкового металла. Так, принтеры могут пригодиться и… в кулинарии. Особенно в кондитерском ремесле. Уже сейчас существуют устройства, которые могут «печатать» шоколадные батончики и конфеты. Есть машина, создающая с нуля пиццу.

Существует стартап Modern Meadow, в котором энтузиасты пытаются научиться печатать 3D-мясо. Как известно, технологии, позволяющие создавать органические ткани, уже существуют. Участники стартапа хотят научиться печатать съедобные биоматериалы. Что же, начинание благородное, которое, возможно, решит проблему некоторых голодающих стран.

PrintBox3D One

А теперь давайте перейдем к самому интересному — к 3D-принтерам отечественного производства. На данный момент времени наиболее распространенными считаются PrintBox3D One и Picaso 3D Builder. Оба устройства разработаны российскими компаниями. Picaso 3D Builder собирается в Зеленограде.

Побывав в офисе 3DPrintus, мы смогли самостоятельно поработать с PrintBox3D One.

Технические характеристики и особенности конструкции

На наш взгляд, 3D-принтер имеет вполне адекватную стоимость, если сравнивать его с западными аналогами. Характеристики устройства не уступают другим современным решениям. PrintBox3D One имеет высокую производительность, а также точность печати. Конечно же, радует, что девайс полностью изготовлен в России.

Главная фишка PrintBox3D One — это полностью металлический каркас. Как видите, принтер не имеет защитного корпуса (по большому счету, он и не нужен). Главное — оградить от прямого контакта с устройством детей и животных.

Станина принтера выполнена из стали. Она закреплена на двух осевых направляющих. При помощи ременных передач осуществляется перемещение стола вверх и вниз.

На верхней балке есть еще одна ременная передача. Она предназначена для горизонтального перемещения печатной головки (экструдера).

Мы уже рассматривали принцип работы FDM-принтеров. Полимерная нить толщиной 1,75 мм при помощи валков подается к соплу. Там она нагревается до температуры плавления. Диаметр сопла может меняться от 0,15 мм до 0,7 мм. Тонким слоем печатная головка наносит свой «узор».

PrintBox3D One оснащен сразу тремя вентиляторами для охлаждения пластика. Важно, чтобы материал очень быстро кристаллизовался, иначе макет может «поплыть».

Реальная печать

Подобно тому, как театр начинается с вешалки, работа с любым 3D-принтером начинается с создания 3D-модели. Для проектирования чертежа подойдет любая программа, которой вы умеете пользоваться. Это может быть AutoCAD, Solid Works, 3Ds Max, Rhinoceros 3D или ArchiCAD. Подойдут даже бесплатные Blender и Google SketchUp. Однако затем чертеж необходимо будет экспортировать в ПО, с которым работает сам 3D-принтер. PrintBox3D One взаимодействует с Repetier-Host, скриншоты которого приведены ниже. Отличительной особенностью этой утилиты является ее открытый исходный код. То есть владелец устройства может самостоятельно дорабатывать софт под свои нужды (при наличии навыков программирования, конечно же).

Важно, чтобы модель не выходила за рамки зоны печати.

Как известно, в Windows 8.1 ведена опциональная поддержка 3D-печати. Даже включен драйвер для 3D-принтера UP!. Позволяет распечатывать 3D-объекты и Photoshop CC. Однако пока это больше выглядит как реклама, ибо без специального программного обеспечения все равно не обойтись.

Отметим, что от проектировщика требуется большая доля знаний в компьютерном 3D-моделировании и опыт. Начинающие могут попробовать воспользоваться уже готовыми моделями здесь, здесь и здесь. Приятно, что сервисы 3D-печати, а также всевозможные коммьюнити разрастаются, как грибы после дождя.

После того, как мы нажимаем кнопку «печать», 3D-принтер несколько секунд обдумывает свои действия и начинает печатать специальную площадку, на которой и будет «возведен» макет. Она необходима для большей устойчивости всей 3D-конструкции.

Далее, согласно чертежу, создается полноценный макет. Надо понимать, что 3D-принтеры работают гораздо медленнее обычных бумажных принтеров. Полученный набалдашник для отвертки был напечатан приблизительно за 15 минут. Более крупные макеты могут печататься часами. Здесь важно, чтобы 3D-принтер работал стабильно и надежно. Однако неприятные оказии все же случаются. Так, может забиться сопло. Или же произойти разбалансировка. Поэтому за работой 3D-принтера необходимо следить.

Ни один FDM-принтер не выдаст вам, что называется, чистый макет. Конечно, все зависит от сложности 3D-модели, но, как правило, на распечатанном предмете остаются заусенцы, «сопли» пластика, а также вспомогательные элементы (дополнительные подпорки жесткости и так далее). Их необходимо убрать механической обработкой.

Источник изображения

Интересный факт №3

Применение 3D-печати, пожалуй, можно найти в любой отрасли. Архитектура, дизайн, инжиниринг, медицина — было бы желание. Мы уже писали про «продуктовые» принтеры. Однако самое, на наш взгляд, необычное применение 3D-принтерам нашли модельеры. Вместо использования классического текстиля печатается одежда. Для этого необходимо отсканировать человеческое тело и разработать соответствующую 3D-модель. Это касается не только верхней одежды, но и нижнего белья, а также обуви.

Некоторые модельеры уже провели полноценные премьерные показы, продемонстрировав общественности не один десяток, если так можно выразиться, нарядов. Конечно, кто-то, увидев все это воочию, только покрутит указательным пальцем возле виска. Однако подобные инициативы модельеров могут привести в будущем к созданию 3D-мастерских, в которых после сканирования твоего тела сделают костюмчик, который, как говорится, будет идеально сидеть. Ведь использование синтетических материалов уже давно не является диковинкой.

Вместо заключения

Мы не раз акцентировали ваше внимание на доступности современных 3D-принтеров. Сегодня реально купить устройство за 80-100 тысяч рублей. Конечно, кого-то могут повергнуть в шок такие цены, однако еще несколько лет назад подобного рода устройства стоили целое состояние. В этом плане преодолена большущая пропасть. Человек, который знает, для каких целей ему нужен 3D-принтер, очень быстро возместит все свои затраты.

Вопрос необходимости — ключевой при покупке 3D-принтера. На наш взгляд, домашние 3D-принтеры не получат такого большого распространения, как бумажные, в силу очевидных причин. Те, кому нужно подобное устройство, уже сейчас присматриваются к готовым моделям, либо изучают исходники RepRap. Ситуация распространения 3D-печати в массах во много схожа с бумажной: для печати документов, рефератов, курсовых отлично подходят домашние/офисные принтеры и МФУ, но для создания брошюр, визиток, газет и книг люди обращаются в типографию.

Знакомство с PrintBox3D One оставило у нас положительные впечатления. Устройство просто, но в то же время весьма функционально. Принтер обладает высокой эффективностью и точностью. PrintBox3D One — пример того, что российские инженеры действительно способны создавать что-то стоящее.

Мы уверены, что в скором времени популярность 3D-печати достигнет своего апогея. Уже, как на дрожжах, растут всевозможные сервисы и услуги. И это здорово!

Товарищи, третья промышленная революция свершилась. Скоро мы будем пожинать ее плоды.