Освоєння нових обсягів
Малокорисний на перший погляд тривимірний друк може відкрити несподівані перспективи.
Перші комерційні моделі 3D принтерів з’явилися не більше 10 років тому, але вже очевидно, що нова технологія може стати таким же серйозним проривом у розвитку цивілізації, як і створення комп’ютера. Чому створення тривимірних речей може стати таким важливим, ще поговоримо, а поки з’ясуємо, що ж таке 3D друк.
Принцип листкового пирога
3D принтер нагадує звичайний заводський верстат, що вміє робити речі заданої форми. Від останнього його, щоправда, відрізняють декілька принципових деталей. Об’ємний принтер може робити не тільки складові деталі великого механізму, а й уже готову складну деталь із рухомими частинами. Заводські верстати звичайно обробляють великі болванки, видаляючи зайвий матеріал до надання виробу необхідних форм. 3D друк робиться декількома різними способами, але в цілому тут застосовують протилежний підхід: деталь створюється шляхом нарощування. Остання відмінність полягає в тому, що деякі верстати поки не можуть обійтися без людини-оператора, у той час як 3D друк повністю контролюється комп’ютерними програмами.
Для друку в 3D необхідна попередня об’ємна модель предмета, яку можна зробити в системі автоматизованого проектування (CAD) або програмі для створення тривимірної графіки. Після відправлення документа в друк від людини більше не треба додаткового втручання, а всю подальшу роботу виконує спеціальне ПЗ, що керує принтером.
Більшість методів створення 3D предметів можна звести до простої схеми: об’єкт відтворюється тонкими шарами (знизу вгору), після чого всі «поверхи» склеюються між собою або з’єднуються під впливом зовнішнього «закріплювача» (наприклад ультрафіолетового світла або лазерного променя). Як матеріал найчастіше використовують дрібнодисперсний порошок або рідкі фотополімери (які затвердівають у необхідних місцях у процесі 3D друку).
Застосування пошарової проекції дозволяє одержувати предмети не тільки із зовнішнім рельєфом, а й із порожнім простором будь-якої конфігурації усередині об’єкта. Так, принтер компанії Z Corporation за назвою ZPrinter 650 може відтворити тривимірну копію iPhone, змодельовану в 3D програмі. Звичайно, пристрій не зможе функціонувати, однак це й не «цеглина» схожої форми: заготівка матиме всі заглиблення, у тому числі слот для навушників, і рельєф на поверхні.
Для друку ZPrinter 650 використовує дрібний порошок, що наноситься дуже тонкими шарами й у потрібних місцях доводиться до твердого стану. Весь невикористовуваний порошок при цьому залишається навколо до завершення друку. Розмір робочої ділянки в ZPrinter 650 становить 2 квадратних метри, що дозволяє відтворювати порівняно великі деталі або робити відразу декілька дрібніших пристроїв. Саме для цього порошок не прибирають із камери під час друку: він є підтримкою для деталей, розташованих вгорі.
Технологія, що використовується в ZPrinter 650, має безліч переваг і є зараз однією з найперспективніших. До вже згаданих плюсів можна додати досить високу швидкість друку, можливість розфарбовування будь-якого шару довільними кольорами, для чого в пристрої, як і в звичайному принтері, установлюється п’ять картриджів із фарбами. Порошок, що заповнює камеру, також не марнується. Після завершення друку більша частина невикористаного матеріалу (до 80%) збирається й застосовується знову.
Із недоліків технології можна відзначити необхідність ручного очищення отриманих предметів від порошку. Також такий принтер може використовувати тільки один матеріал, що має певний набір властивостей.
Компанія Objet Geometries виправила останній недолік ZPrinter і заявила про розроблення пристрою, що вміє створювати предмети відразу із двох різних матеріалів. А при змішуванні двох первинних складових у різних пропорціях можна одержувати композити з новими характеристиками. Загалом передбачається можливість завантаження в принтер 60 доступних речовин, однак одночасно можна використовувати не більше двох. Принтер компанії належить до тих моделей, які вміють створювати предмети із рухливими частинами, і після завершення друку не потребують ніякої додаткової обробки.
Таке світле майбутнє
До того, як поняття «нанотехнології» почали використовувати повсюдно як синонім прогресивних технологій узагалі (або «освоєння» великих обсягів державного фінансування — залежно від контексту), у цього терміна було тільки одне тлумачення (словникове) — можливість відтворення структури предметів в атомному або молекулярному масштабі. Фактично нанотехнології — це 3D друк на мікрорівні, де замість часточок порошку використовуються безпосередньо атоми.
Освоєння такої технології, а також забезпечення її доступності привело б до найбільшої технологічної революції в історії людства. Кожен зміг би робити копію будь-якого предмета, для якого в нього є «інструкція» (набір даних з описом структури) і матеріали. Причому доступність «інструкцій», швидше за все, не буде проблемою — тут добре підійде модель розповсюдження, створена для програмного забезпечення. Розробники вільних креслень існуватимуть у майбутньому так само, як зараз розробники вільного ПЗ. Із матеріалами проблема може бути серйозніша. Можливий і варіант, коли принтери навчаться одержувати необхідну сировину буквально зі «сміття». А може, головну роль колись у майбутньому відіграє і ядерний синтез, який дозволяє одержувати атоми необхідних речовин із уже наявних.
Так далеко забігати не обов’язково. Наприклад, створення пластмасової іграшки для дитини або, скажімо, кросовок не вимагає маніпуляцій на такому низькому рівні. У лабораторіях їх зможуть створювати вже в найближчому майбутньому (пластмасові іграшки можна робити й зараз).
Проект RepRap працює над створенням реплікуючого 3D принтера. Тобто принтера, який вміє робити копії не тільки інших пристроїв, а й самого себе. Очевидно, що пристрій, який роздруковує сам себе, зможе швидко з’явитися в кожної людини й дозволить усім відтворювати будь-які предмети, після чого необхідності у традиційних заводах просто не буде. Різні предмети в буквальному значенні слова відправлятимуться іншим людям по електронній пошті.
Утім, поки дослідники усе ще працюють над більш простими завданнями, наприклад, можливістю друку електричних плат і металевих частин (пластикові принтер уже вміє відтворювати).
Прорив також намічається й на медичному фронті. Вивчається можливість створення копій органів. Живі клітини передбачається розташовувати пошарово в спеціальному гелі, відтворюючи структуру необхідних частин тіла. Навіть за сьогоднішнього рівня роздільної здатності 3D принтерів такі роботи теоретично вже можливі.
Проект Fab@Home досліджує можливість відтворення не тільки предметів, а і їжі (а також будь-яких інших речей). Для досягнення цього розробники експериментують із використанням відразу декількох матеріалів у процесі друку й шукають шляхи для зниження цін на 3D принтери (поточна середня вартість таких пристроїв варіюється від декількох тисяч до декількох десятків тисяч доларів).
