3D печать и как она меняет мир

Современное общество несомненно требует новейших разработок, которые могут успешно послужить разработкам прошлых веков. На мой взгляд, одной из самых лучших идей на данный момент является разработка 3D-технологии. Все чаще и чаще они встречаются в печати, принтерах и телевизорах, конечно. Что касается сферы развлечений, то и ее данная технология не обошла стороной, ведь большая часть кинопремьер показана именно в формате 3D. 

Благодаря использованию такой технологии жизнь человека становится значительно проще. 3D-технологии занимают все больше места не только в промышленной, но и в бытовой, повседневной жизни людей. 

Сергей Лукьяненко, российский фантаст, еще до появления 3D-принтеров писал про расу геометров с похожими чертами и направлением развития, а сейчас мы близки к тому, чтобы в каждой квартире был собственный 3D-принтер, делающий нашу жизнь проще, интереснее и безопаснее. 

История развития 3D-технологии

Все началось с американца по имени Чарльз Халл, который сумел разработать технологию «стереолитографии» (SLA), которую применяют для печати 3D-объектов по данным цифровых моделей из фотополимеризующихся композитных материалов (ФПК). Далее Михаилом Фейгеном было предложено послойно формировать из листового материала объемные модели. В качестве листового материала берут полиэстер, композиты, пленки, бумагу или пластик. После слои листового материала скрепляют между собой при помощи разогретого валика. Данная технология называется «производством объектов ламинированием» (LOM). Ее суть заключается в том, что листы просто приклеиваются друг к другу, после чего лазером вырезается контур. 

На свою технологию «стереолитографии» (SLA), которая была разработана в 1984 году, Чарльз Халл получает патент. В том же 1984 году Чарльзом была основана компания 3D Systems, а также был разработан первый коммерческий прибор трехмерной печати, который получил простое название «установки для стереолитографии».

В университете штата Техас в Остине докторами Карлом Декартом и Джо Биманом был разработан и запатентован метод селективного лазерного спекания (SLS).

Примерно в это же время израильская компания Cubital разработала технологию послойного уплотнения (SGC).

Чуть позднее, в 1988 году 3D Systems создает модель SLA-250, которую они запустили в серийное производство в целях распространения в широком кругу пользователей. 

Наиболее распространенная сегодня FDM технология, которая была разработана Скоттом Крампом, используется в большинстве “домашних” 3D принтеров. Суть данной технологии заключается в моделировании путем декомпозиции плавящегося материала. 

Именно Скотт Крамп является основателем компании Stratasys, которая выпустила первый 3D-принтер серии Dimension с экструдирующей печатающей головкой (FDM).

Компанией Helisys была продала первая машина на основе объектного ламинирования (laminated objectmanufacturing ) LOM, а компания Stratasys продала свою первую машину на основе технологии FDM — «3D Modeler».

Фирмой DTM была продана первая систему селективного лазерного обжига (SLS).

Была создана компания Solidscape, котоая на данный момент является одним из ведущих производителей. 

Что касается термина 3D-печать”, то он был придуман в Массачусетском Технологическом институте и с тех пор успешно вошел в обиход. 

Эксклюзивную лицензию на использование технологии 3DP от MIT получила компания ZCorporation. 

Новые устройства Z402, Actua 2100 были представлены компаниями — 3D Systems и Z Corporation соответственно. Именно к устройству Actua 2100 впервые было применено название «3D-принтер». 

3D Systems сумела выкупить своего конкурента по стереолитографии — EOS, и стать монополистом. 

Первый на рынке 3D-принтер, обладающий высоким качеством цветной печати, выпустила компания Z Corporation. Сокращенно он называется 3DP. 

Далее был открыт проект Reprap при наличии лицензии GNU General Public Licence, в результате которого была выпущена первая версия Reprap. Это принтер, который может производить сам себя. В то время он мог производить чуть больше половины требуемых деталей.  

На момент 2008 года компания Objet Geometries Ltd разработала принтер Connex500, который мог печатать несколькими различными материалами в одно время. На сегодняшний день количество таких материалов приблизилось к 115. 

Благодаря развитию 3D-технологий удалось создать первый автомобиль (Urbee) при помощи внушительного размера 3D-принтеров Dimension 3D Printers и Fortus 3D Production Systems. 

Одним из самых важных прорывов данной технологии, подтвердивших невероятные изменения в истории человека, стало объявление медицинской компании Organovo. Inc о создании технологии, благодаря которой возможна печать искусственных кровеносных сосудов. 

Группой ученых (Fluid interfaces Group) из того же Массачусетского Технологического университета был представлен первый 3D-принтер, предназначенный для создания продуктов, однако на сегодняшний день данная разработка существенного развития не получила. 

Свой вклад в развитие технологии внес голландский производитель 3D-принтеров Ultimaker. На тот момент скорость трехмерной печати достигла 350 мм в секунду. Сейчас подобный показатель вряд ли кого-то может удивить, но для 2010х годов он был достаточно хорошим несмотря на то, что из-за скорости несколько пострадала точность.  

Первый 3D-принтер, печатающий шоколадом, был выпущен фирмой Declam под руководством университета Брюнеля и университета Эксетера. По сути это то же FDM, сложность заключалась лишь в разработке самого состава. 

Возвращаясь к серьезным вещам, на 3D-принтере был напечатан первый самолет учеными университета Саутгемптона. Данная модель успешно летала, потому что сложность заключалась лишь в том, чтобы спроектировать модель таким образом, чтобы было возможно ее распечатать. 

Самый дешевый, маленький и легкий 3D-принтер по себестоимости был представлен Венский Технологическим университетом. Его вес составил всего лишь 1,5 килограмма, а стоимость – примерно 1250 евро. Работает данный принтер по аддитивной технологии фотополимерзации светочувствительной смолы. 

Персональный трехмерный принтер 3D Cube, предназначенный для использования дома, был выпущен компанией 3D Systems, в то время как в Венском Технологическом Университете был создан трехмерный принтер, способный печатать микроскопически маленькие объекты разрешением до 100нм со скоростью 5 мм в секунду.

Что такое трехмерная графика и как она создается?

Трехмерной графикой называют раздел компьютерной графики, охватывающий программное обеспечение для совершения различных действий над объектами в трехмерном пространстве, а также результаты работ этих программ. 

Областями, в которых наиболее часто применяется трехмерная графика, являются печатная продукция, телевидение, кинематограф, медицина, компьютерных играх, а также она используется для создания изображений в такой области, как архитектурная визуализация. 

Главным отличием трехмерного изображения от плоского в том, что при создании трехмерного необходимо построение геометрической проекции трехмерно модели сцены на экране с помощью специализированных программ. 

Создание трехмерного изображения достигается двумя этапами

Первый этап — это моделирование.

Моделирование же-это создание математической модели, а затем создание объектов в этой модели. Моделирование включает в себя три простых пункта в следующей последовательности:

• создание модели;
• изучение модели;
• применение результатов исследования на практике и дальнейшее формулирование теоретических выводов. 

Геометрией называют модель, построенная при помощи различных техник (машина, например). Материалами называют информацию о визуальных свойствах, которыми обладает модель (цвет кузова, размер окон). Источниками света служат настройки мощности, направления, а также спектра освещения. В качестве дополнительных эффектов берут объекты, которые имитируют атмосферные явления. Роль сил и воздействий играют настройки динамических искажений (в основном применяются в процессе анимации). 

Второй этап — это рендеринг. 

В качестве модели в рендеринге может являться любое явление или объект, если они либо при помощи структурных данных, либо описаны на строго определенном языке. На этом этапе векторная (математическая) пространственная модель становится плоской картинкой. Для создания фильма используется последовательность подобных изображений, из расчета по одной на каждый кадр. 

На сегодняшний день существует множество систем рендеринга, ниже будут представлены две наиболее популярные из них: 

• PhotoRealistic Render Man (PR Man). Данная система представляет собой целый пакет программ, промышленный стандарт редрендинга для создания 3D-изображений. Также является стандартом для описания трехмерных данных для их последующего визуализирования.  
• Mental Ray- также профессиональная система визуализации изображений и редрендинга. Была разработана компанией Mental Images. 

На сегодняшний день 3D-технологии широко используются человеком в самых различных областях, начиная от аэрокосмической, заканчивая военной. 

Данные статистики еще за далекий 2012 год показали, что в мире существует более 1000 самых разнообразных 3D-принтеров, чье количество непрерывно растет. Сейчас эксперты единодушно утверждают, что примерно через 4-5 лет подобные принтеры будут использоваться повсеместно. 

На уровне развития, существующем на сегодняшний день, 3D-принтеры в состоянии производить не только кулинарные съедобные блюда, но и разные интересные занятые игрушки. Как пример одной из таких, можно упомянуть двигатели для ракет. Принтер, который может сделать подобное уже используется NASA, хотя он и применяется пока что для производства составных частей от двигателей. 

В Японии сейчас невероятно популярны 3D-принтеры и трехмерная печать. В Токио большим спросом пользуются 3D-фотобудки, которые вместо простой фотографии на бумаге делают объемную статуэтку-фотографию, прекрасно выполненную с учетом всех самых маленьких деталей. 

Также все более и более популярным начинает становиться сервис “объемного фотошопа”, который представляет возможность облачиться в виртуальные наряды различных времен и народов, предварительно просканировав вас, и получив в результате трехмерную модель вашего тела. 

Конечно, искусство не остается в стороне. Зрители, присутствовавшие на выставке 3D Print Show, которая была проведена в Лондоне, могли насладиться видом самых невероятных экспонатов, созданных при помощи 3D-технологии. На данной выставке были представлены необычные решения интерьера, музыкальные инструменты и даже некоторые человеческие органы. 

Голливуд глобально использует технологию 3D-моделирования, ведь 3D-печать все больше развивается для создания дизайна помещений и не только из самых разных исторических эпох. Традиционное производство значительно медлительнее и дороже 3D- печати, поэтому оно начинает постепенно исчезать.  

Помимо этого, одной из самых перспективных отраслей для применения 3D-печати является пищевая промышленность. 

Самыми популярными объектами из продуктов для печати являются продукты, классифицируемые как фаст-фуд. А самый большой потенциал заключается в кондитерском производстве. Лидером в данной сфере является ChefJet, этот принтер может производить самые разнообразные сласти. Параметры изделий задают форму изделиям, благодаря чему сладости можно изготовлять в любом виде, например, в виде капитана Джека Воробья. Особенно это востребовано, когда дело касается именинных или свадебных тортов. 

3D-принтеры сейчас очень востребованы в мелкосерийном производстве. Их чаще всего используют, когда требуется изготовить такие эксклюзивные изделия, как прототипы концептуальных моделей будущих потребительских товаров или предметы искусства. Данные модели могут использоваться как для презентации новых товаров, так и в экспериментальных целях. 

Одной из самых важных сфер для применения 3D-технологий является медицина. Использование трехмерных принтеров спасает множество человеческих жизней, а также улучшает уровень здоровья.  Благодаря 3D-принтерам можно с легкостью воссоздать точную копию человеческого скелета, на которой можно отрабатывать приемы, гарантирующие, что операция будет проведена успешно. В последнее время они особенно популярны в области стоматологии, потому что трехмерная печать сокращает время изготовления коронок и протезов. 

Для изготовления трехмерной медицинской модели используется целый ряд материалов, в который могут входить живые органические клетки. 

Мощь трехмерной печати была наглядно продемонстрирована на орле, потерявшем свой клюв по вине браконьеров, и получившим его обратно благодаря 3D-печати, которая позволила изготовить его точную копию.

Для людей, у которых атрофированы или парализованы части тела, теперь есть возможность жить полноценной жизнью, благодаря специальным распечатанным на 3d-принтере пластиковым экзоскелетам. 

Медицина никогда не стоит на месте, и медики дошли до того, что при помощи специального геля и клеток донора теперь можно изготавливать “заплатки” для поврежденных участков кожи. 

Еще в 2011 году ученым удалось создать точную копию человеческой почки, на что ушло всего лишь 3 часа. 

Принтеры, обладающие 3D-технологиейпостепенно осваивают сферу изготовления одежды и обуви. Наибольшей популярностью они пользуются у высокой моды. Сейчас на многих модных показах модели демонстрируют на себе наряды, созданные при помощи трехмерной печати. 

Благодаря использованию 3D-технологий детское образование также выходит на новый уровень, так как создаются точные наглядные пособия, помогающие детям свободно запоминать материал путем визуализации. 

3D-печать: перспективы развития 

Компания «Markets and Markets» («M&M»)опубликовала исследование «Рынока 3D печати (2013-2020)», согласно которому, ежегодный прирост 3D рынка печати будет составлять 23% за временной промежуток с 2013 по 2020 год. Таким образом, данный рынок вырастет до 8,5 млрд. Долларов США к 2020 году. 

На высокую скорость роста трехмерной печати оказывают влияние такие факторы, как широкий выбор материалов, начиная от живой ткани, и заканчивая полимерами, инновационные технологии, новые законодательства, которые поддерживают развитие 3D-технологий, финансирование государством, а также огромный неосвоенный рынок. 

К концу 2014 года закончился срок действия патентов на метод селективного лазерного спекания (SLS), что послужила мощным стимулом для роста рынка трехмерной печати. 

Что касается географического анализа рынка трехмерной печати, то большую часть занимают Соединенные штаты, а Европа стоит на втором месте. 

По сегодняшним данным ожидается, что к 2020 году по доходам Европа опередит Америку на рынке 3D-печати. 

На сегодняшний день никто не воспринимает трехмерную печать как дорогую или узконаправленную услугу. Благодаря тому, что мы можем применять различные материалы, перед нами открывается возможность проводить необычные эксперименты. 

Universe Architecture, голландская архитектурная компания, построила первое в мире здание, напечатав его секции на больших размеров принтере. В качестве строительных материалов взяли смесь из песка, а также ряд полимерных добавок. Для изготовления блоков 6 на 9 метров использовали D-образный принтер. 

При помощи принтеров в последнее время уже больше решают инженерные задачи на земле и за ее пределами, нежели просто занимаются моделированием. 3D-печать сейчас все больше используется для изготовления различных миниатюрных летательных аппаратов, деталей штурмовых винтовок и разнообразных протезов. 

Продолжаются работы над повышением “всеядности” 3D-принтеров, которые дают возможность создавать все более прочные изделия из разнородных материалов с необходимым набором свойcтв. 

В скором будущем значительно увеличится число компонентов, которые можно будет использовать в качестве сырья. Помимо этого, улучшится качество создаваемых предметов. 

Преимущества 3D-печати 

Сегодня мы располагаем весьма большим ассортиментом устройств для 3D-печати. Например, даже домашний принтер может распечатать модель из широкого выбора материалов, точность которой составит 100 микрон, что, другими словами, означает, что отличить копию от оригинала для обладателя принтера будет невозможно. 

Процесс создания самой модели достаточно сложен и занимает много времени, поэтому модели для 3D-принтеров в состоянии создавать лишь специалисты, однако обычные люди имеют доступ к шаблонам, в основном благодаря стремительному совершенствованию коммуникаций. 

Важным плюсом использования 3D-печати является практически полное отсутствие человеческого фактора. 

Помимо этого, 3D-принтеры не несут вредного воздействия на окружающую среду, ведь они не используют вредные материалы, и, следовательно, совершенно безопасны. Например, компанией ZCorporation используются при строительстве только вещества на водяной основе. 

Процесс трехмерной печати делает технологию уникальной в своем роде и экономит большое количество времени, в отличие от других способов создания объектов. 

Помимо скорости, подобный тип производства еще и очень дешевый, что можно рассматривать как главное преимущество 3D-печати. 

В скором времени все больше людей начнут осознавать необходимость и целесообразность покупки персонального 3D-принтера, особенно учитывая то, что будет происходить снижение стоимости устройств. Наличие домашних личных принтеров устранит необходимость делать заказ печати для выполнения услуги на стороне. Таким образом произойдёт типичная подмена продаж функций продажами устройств.

Оптимистично настроенная часть населения предсказывает грядущую концепцию индивидуализма, которая не может не процветать в грядущем технологическом постоянно меняющемся в лучшую сторону. У людей появится возможность создавать вещи самостоятельно, не говоря уже о невероятном прорыве в развитии жизненно важных областей производства, что поднимет уровень жизни на нашей планете на новую ступень. 

Однако несмотря на все достоинства трёхмерной печати, ее также можно считать и опасной для общества технологией, из-за которой будут появляться новые законодательства, предназначенные для борьбы с возможным использованием технологии в личных аморальных сферах. Стоит надеяться, что подобные единичные злоупотребления не повлекут за собой ограничительных жестких мер, как это уже происходило раньше с другими новинками. 

Так же, как и другие новые технологии, 3D-печать даёт возможность любому человеку реализовать свой творческий потенциал. Кроме этого, тысячи людей, у которых значительные проблемы со здоровьем, получат второй шанс на полноценную жизнь. 

Все это делает 3D-технологию, которая когда-то была лишь мечтой и идеей в сознании человека, незаменимой сейчас и в будущем.

Автор: Андронова Иоланта