Освоение новых объемов
Малополезная на первый взгляд трехмерная печать может открыть неожиданные перспективы.
Первые коммерческие модели 3D принтеров появились не более 10 лет назад, но уже очевидно, что новая технология может стать таким же серьезным прорывом в развитии цивилизации, как и создание компьютера. Почему создание трехмерных вещей может оказаться столь важным, поговорим чуть ниже, а пока разберемся в том, что же такое 3D печать
Принцип слоеного пирога
3D принтер напоминает обычный заводской станок, который умеет делать вещи заданной формы. От последнего его, правда, отличают несколько принципиальных деталей. Объемный принтер может делать не только составляющие детали большого механизма, но и уже готовую сложную деталь с движущимися частями. Заводские станки обычно обрабатывают большие болванки, убирая лишний материал до придания изделию необходимых форм. 3D печать производится несколькими различными способами, но в целом здесь применяют противоположный подход: деталь создается путем наращивания. Последнее отличие заключается в том, что некоторые станки пока не могут обойтись без человека-оператора, в то время как 3D печать полностью контролируется компьютерными программами.
Для печати в 3D необходима предварительная объемная модель предмета, которую можно сделать в системе автоматизированного проектирования (CAD) или программе для создания трехмерной графики. После отправки документа в печать от человека больше не требуется дополнительного вмешательства, а всю дальнейшую работу выполняет специальное ПО, управляющее принтером.
Большинство методов создания 3D предметов можно свести к простой схеме: объект воссоздается тонкими слоями (снизу вверх), после чего все «этажи» склеиваются между собой или соединяются под воздействием внешнего «закрепителя» (например ультрафиолетового света или лазерного луча). В качестве материала чаще всего используют мелкодисперсный порошок или жидкие фотополимеры (затвердевающие в необходимых местах в процессе 3D печати).
Применение послойной проекции позволяет получать предметы не только с внешним рельефом, но и с пустым пространством любой конфигурации внутри объекта. Так, принтер компании Z Corporation под названием ZPrinter 650 может воссоздать трехмерную копию iPhone, смоделированную в 3D программе. Естественно, устройство не сможет функционировать, однако это и не «кирпич» похожей формы: заготовка будет иметь все углубления, включая слот для наушников, и рельеф на поверхности.
Для печати ZPrinter 650 использует мелкий порошок, который наносится очень тонкими слоями и в нужных местах доводится до твердого состояния. Весь неиспользуемый порошок при этом остается вокруг до самого завершения печати. Размер рабочей области в ZPrinter 650 составляет 2 квадратных метра, что позволяет воссоздавать относительно большие детали либо делать сразу несколько более мелких устройств. Именно для этого порошок не убирают из камеры во время печати: он служит поддержкой для деталей, расположенных наверху.
Используемая в ZPrinter 650 технология имеет множество преимуществ и является сейчас одной из наиболее перспективных. К уже перечисленным плюсам можно добавить достаточно высокую скорость печати, возможность раскрашивания любого слоя произвольными цветами, для чего в устройстве, как и в обычном принтере, устанавливаются пять картриджей с красками. Порошок, заполняющий камеру, также не расходуется бесцельно. После завершения печати большая часть неиспользованного материала (до 80%) собирается и применяется заново.
Из недостатков технологии можно отметить необходимость ручной очистки полученных предметов от порошка. Также такой принтер может использовать только один материал, обладающий определенным набором свойств.
Компания Objet Geometries исправила последний недостаток ZPrinter и заявила о разработке устройства, умеющего создавать предметы сразу из двух разных материалов. А при смешивании двух первичных составляющих в разных пропорциях можно получать композиты с новыми характеристиками. Всего предполагается возможность загрузки в принтер 60 доступных веществ, однако одновременно можно использовать не более двух. Принтер компании относится к тем моделям, которые умеют создавать предметы с движущимися частями и после завершения печати не требуют никакой дополнительной обработки.
Такое светлое будущее
До того, как понятие «нанотехнологии» не стали использовать повсеместно как синоним прогрессивных технологий вообще (или «освоения» больших объемов государственного финансирования — в зависимости от контекста), у этого термина было только одно толкование (словарное) — возможность воссоздания структуры предметов в атомном или молекулярном масштабе. Фактически нанотехнологии — это 3D печать на микроуровне, где вместо частиц порошка используются непосредственно атомы.
Освоение такой технологии, а также обеспечение ее доступности привело бы к крупнейшей технологической революции в истории человечества. Каждый смог бы делать копию любого предмета, для которого у него есть «инструкция» (набор данных с описанием структуры) и исходные материалы. Причем доступность «инструкций», скорее всего, не будет проблемой — здесь прекрасно подойдет модель распространения, созданная для программного обеспечения. Разработчики свободных чертежей будут существовать в будущем так же, как сейчас разработчики свободного ПО. С материалами вопрос может стоять более остро. Возможен и вариант, когда принтеры научатся получать необходимое сырье буквально из «мусора». А может, ключевую роль в неопределенном будущем сыграет и ядерный синтез, позволяющий получать атомы необходимых веществ из уже имеющихся.
Так далеко забегать не обязательно. Например, создание пластмассовой игрушки для ребенка или, скажем, кроссовок не требует манипуляций на таком низком уровне. В лабораториях их смогут изготавливать уже в ближайшем будущем (пластмассовые игрушки можно делать и сейчас).
Проект RepRap работает над созданием реплицирующего 3D принтера. То есть принтера, умеющего делать копии не только других устройств, но и самого себя. Очевидно, что распечатывающее самого себя устройство сможет быстро появиться у каждого человека и позволит всем воспроизводить любые предметы, после чего необходимость в традиционных заводах попросту отпадет. Различные предметы можно будет в буквальном смысле слова отправлять другим людям по электронной почте.
Впрочем, пока исследователи все еще работают над более простыми задачами, например, возможностью печати электрических плат и металлических частей (пластиковые принтер уже умеет воспроизводить).
Прорыв также намечается и на медицинском фронте. Изучается возможность создания копий органов. Живые клетки предполагается располагать послойно в специальном геле, воссоздавая структуру необходимых частей тела. Даже при текущем уровне разрешения 3D принтеров такие работы теоретически уже возможны.
Проект Fab@Home исследует возможность воссоздания не только предметов, но и пищи (а также любых других вещей). Для достижения этих целей разработчики экспериментируют с использованием сразу нескольких материалов в процессе печати и ищут пути для снижения цен на 3D принтеры (текущая средняя стоимость таких устройств варьируется от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч долларов).
