Тренд: 3d принтеры

Технологии будущего. Принтеры научились печатать еду, дома и оружие

В наши дни с помощью 3D-печати создаются самые разные вещи: от кроссовок до деталей боевых роботов. А недавно ученые университета Южной Калифорнии разработали систему Contour Crafting, способную за 20 часов напечатать двухэтажный жилой дом! Помните присказку: "Что нам стоит дом построить: нарисуем – будем жить?" Сегодня она уже является реальностью.

Перспективы использования трехмерной печати поражают самое смелое воображение. Еще буквально несколько лет назад 3D-принтеры казались лабораторной диковинкой безумных ученых и смелых инженеров. А в этом году средства массовой информации разродились буквально лавиной сообщений на тему, где они сегодня применяются на практике. Новая технология используется все более массово, становясь доступнее и интереснее.

Взять хотя бы тот же Contour Crafting. Представьте себе огромный принтер размером с подъемный кран. Он способен выполнить до 90% всех строительных работ, включая бетонные стены, прокладку трубопровода и электропроводки, монтаж перекрытий, настил крыши и покраску стен. Все это сделает машина. Людям здесь останется лишь внутренняя отделка помещений. Ну еще окна и двери и поставить.

Перспективный способ производства уже взяли на вооружение американские военные. Так, Пентагон с помощью 3D-станков изготавливает на передовой недостающие элементы индивидуальной экипировки солдат, а также запчасти для роботов, такие как тяги и шестерни. ВВС США применяют 3D-принтер для создания макетов беспилотников, а ECBC США – для изготовления деталей детекторов мин. В планах американских военных – производить посредством объемной печати запчасти для космических аппаратов, рюкзаки и жилеты, а также индивидуальные протезы.

Энтузиаст-оружейник, известный под ником HaveBlue, с помощью 3D-принтера сделал автоматическую винтовку AR-15. Оружие успешно прошло испытания несколькими сотнями выстрелов, правда пока только в версии под .22 LR. В "родном" .223 калибре конструкция пока не работает.

Голливуд тоже держит нос по ветру. В вышедшей недавно картине Питера Джексона "Хоббит: Нежданное путешествие" львиная доля реквизита создана методом 3D-печати. Среди предметов, появившихся на свет таким образом – накладки, придающие объем, рукам, ногам и ушам актеров, эльфийские мечи, шлемы и топоры. Создатели фильма шутят, что если бы актер Иэн Маккеллен не пришёл на съемочную площадку, вероятно, его лицо просто напечатали бы, и кто-то другой сыграл  бы его роль волшебника.

Огромный вклад в дело популяризации 3D-печати вносят японцы. Год назад они придумали делать с помощью объемного прототипирования маски, которые с пугающей точностью копируют лица своих владельцев. А в конце ноября нынешнего года в Токио открылась студия, специализация которой - создание 3D-фигурок клиентов. Если вы желаете получить свою мини-копию, вы должны лично явиться в студию и пройти процедуру 3D-сканирования. Все 15 минут, пока вас "обстреливают" сканером, следует сохранять полную неподвижность – иначе модель получится неточной. Статуэтки выходят весьма похожими на оригиналы, только мелкие детали вроде украшений, узоров на ткани и т.п. передать 3D-принтерам пока не под силу – поэтому клиентов просят одеваться попроще. А вот цвет одежды и волос фигурки можно выбрать какой угодно. К сожалению, подобное удовольствие трудно отнести к дешевым. Куколка высотой 10 см и весом 20 г. стоит 260 долларов, 15 см/50 г. – 400 долларов, 20 см/200 г – 530 долларов.

В настоящее время существует несколько видов 3D-принтеров, отличающихся главным образом по типу используемого материала. В свою очередь, материалом для 3D-печати могут служить самые разные вещества – от гипса до резины. Основные технологии 3D-печати можно условно разделить на три группы.

Печать порошком. Реализуется это так: принтер насыпает на платформу слой порошка и поливает его связующим либо спекает лазерным лучом, далее насыпает следующий слой и вновь скрепляет клеем либо лазером – и так до тех пор, пока не сформируется нужный объект. Порошки применяют самых разных составов: синтетические смеси, гипс, керамика, металл и т.д. А некоторые умельцы ухитряются использовать даже обычный песок! Широко известен проект Маркуса Кайзера, студента британского Королевского колледжа искусств, который построил так называемый солнечный 3D-принтер. Роль лазера здесь выполнял солнечный луч, усиленный большой линзой Френеля, а роль порошка - песок. Поскольку принтер располагался в пустыне, недостатка в материале не было. А в роли насыпающего и выравнивающего устройства выступал сам мистер Кайзер.

Печать расплавленным материалом. Принтер "рисует" слой за слоем расплавленным материалом, который выдавливается из сопла печатающей головки. В этом случае используются в основном различные пластики, например, очень распространенные ABS или PLA. Но весной этого года британская компания Choc Edge представила 3D-принтер, печатающий… растопленным шоколадом!

Печать фотополимером. В кювету наливается фотополимер, и на его поверхность проецируется срез модели – освещенный участок материала тут же застывает. Также можно рисовать контур ультрафиолетовым лучом. Затем в кювету добавляется еще фотополимер, проецируется следующий слой и т. д. В роли фотополимера выступают различные светочувствительные смолы.

По сравнению с обычными принтерами 3D-машины работают гораздо медленнее – на изготовление одного объекта уходят часы, а то и дни. Но во многих случаях получается все равно намного быстрее, чем если бы пришлось вытачивать модель из дерева или металла.

3D-принтеры создают реальные объекты, опираясь на их трехмерные цифровые модели. Но откуда берутся эти модели? Во-первых, строятся с помощью специальных программ (например, AutoCad) на основе чертежей, эскизов, фотографий нужного предмета. А во-вторых, получаются методом 3D-сканирования уже существующих объектов. 3D-сканеры бывают контактными и бесконтактными. Первые работают при непосредственном контакте с исследуемым объектом, а вторые анализируют отраженное от предмета излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, ультразвук). На основе файла, полученного в результате сканирования, соответствующее ПО собирает трехмерную картинку. 3D-модель редактируется, если нужно, "разрезается" на тончайшие поперечные слои и отправляется на печать.

Высокая востребованность объемной печати приводит к тому, что эта индустрия развивается бешеными темпами. Ее основная сфера применения сегодня – это промышленность. Благодаря 3D-прототипированию удается изготавливать опытные образцы нового продукта без привлечения специального оборудования и запуска новых линий, серьезно сокращать сроки подготовки производства, максимально снижать себестоимость вещей, выпускаемых небольшими партиями. Зачастую "напечатанные" прототипы являются работоспособными, то есть позволяют оценить не только дизайн, но и функциональность будущего изделия.

Кроме того, 3D-печать активно используется в образовании - для претворения в жизнь концептов, разработанных студентами, в медицине - при изготовлении зубных протезов и других имплантатов, в архитектуре - с ее помощью создаются макеты будущих сооружений, в искусстве, в развлекательной сфере... Перечислять можно долго.

Наука пытается применять 3D-принтеры, в частности, для такой важной задачи, как создание живых тканей и органов. Первый серийный биологический 3D-принтер, рожденный в результате сотрудничества американской компании Organovo и австралийской Invetech, был представлен в 2009 году. У этого устройства две печатающие головки: одна заправляется клетками нужного органа, вторая – вспомогательными материалами (коллагеном, факторами роста, и т.д.). Для того чтобы выкладывать клетки в правильном порядке, используются лазерная калибровочная система и суперточная роботизированная система позиционирования головок. Уже есть примеры успешного использования этой технологии (например, "распечатка" и внедрение печени лабораторной мыши), а значит, можно надеяться, что в скором времени человечество полностью откажется от института донорства.

Существуют сегодня и пищевые 3D-принтеры – устройства, с помощью которых можно напечатать то или иное блюдо. Эти машины работают по тому же принципу, что и остальные, только вместо пластмассы или металла они используют жидкие "пищевые чернила", ароматизаторы и красители. Кроме того, в арсенал таких девайсов входят нагревательный и охлаждающий элементы, а также миксер. В теории проголодавшийся пользователь решает, что бы он хотел сегодня на обед, нажимает нужную кнопку – и принтер, согласно заложенному рецепту, смешивает нужные ингредиенты и слой за слоем печатает, скажем, борщ, или котлеты, или мороженое. На практике же пищевые принтеры умеют пока немногое.

Например, 3D-станок Burritob0t, построенный выпускником Нью-Йоркского университета Марко Манрикесом, заправляется плавленым сыром и фасолью и выдает отличные мексиканские лепешки буррито. Аппарат Digital Chocolatier, собранный в Массачусетском технологическом институте, умеет печатать сладости из трех компонентов, скажем, шоколада, фруктов и орехов. То есть сегодня 3D-принтеры выполняют роль скорее сборщиков блюд, чем поваров, и работают с натуральными ингредиентами. В дальнейшем же еда, получаемая методом 3D-печати, без сомнения станет синтетической, со всеми присущими ей достоинствами и недостатками. Но, если не поддаваться скепсису по поводу полезности исключительно органических продуктов, в синтетической пище можно обнаружить массу преимуществ перед традиционной.

Так, ученые обращают внимание, что в искусственной еде можно будет легко регулировать количество белков, жиров и углеводов, при необходимости – обогащать ее витаминами и микроэлементами. Кроме того, для производства синтетических продуктов не требуется ни пастбищ, ни полей, не нужно собирать урожай и везти скот на бойню, не нужно упаковывать, доставлять, готовить и т.д. Евангелисты этой технологии уверяют, что в самом ближайшем будущем искусственная еда по вкусу, цвету и виду не будет отличаться от натуральной – разве что вы не найдете в ней ненужных костей, семечек, скорлупы и чешуи.

К сожалению, на данный момент купить 3D-принтер и обеспечивать его нужными материалами может себе позволить подавляющее меньшинство граждан, ведь речь идет о десятках тысяч долларов. Но "паровоз вперед летит", и уже существует не один проект бюджетных 3D-принтеров (цена которых начинается примерно от 550 долларов) и десятки идей удешевления расходных материалов (например, предлагается использовать обычную бумагу и клей).

Услуги 3D-прототипирования предлагают сегодня и в нашей стране. При этом можно заказать не только печать уже существующей цифровой модели, но и 3D-моделирование. Печатают из пластиков, из порошков, из фотополимеров, делают как монохромные, так и цветные модели. Что касается цены готового изделия, то она определяется его объемом, а точнее – объемом затраченного материала. В Беларуси, по словам специалистов, 1 см3 гипсового порошка обходится примерно в 1,5 доллара, пластика – в 2,5 доллара.

Будущее с 3D-печатью выглядит заманчиво не только для производителей, ученых, медиков – оно выглядит заманчиво для любого из нас. Разбилась чашка? Приглянулись соседские ботинки? Захотелось клубничного мороженого? Вместо того чтобы тратить время и силы на поиски любых нужных вещей, достаточно скачать нужную 3D-модель из интернета и загрузить ее в домашний 3D-принтер. Вы еще ходите в магазины? 3D-печать идет к вам!