Статья отражает историю создания, практического использования и эффективности технологии 3 D печати; рассказывает о ее распространении и применении в повседневной жизни.
Ключевые слова: 3D принтер, объёмная модель, технология 3D печати.
С течением времени плотным потоком инновационные технологии входят в нашу жизнь, находя себе новые и новые применения. Многое что сегодня является для обычного человека банальностью, то для человека прошлого века было чем-то фантастическим и недостижимым. В сегодняшнее время идёт благотворное развитие всевозможных технологий, которые так или иначе делают нашу жизнь легче и рациональнее. С каждым годом находится место новому открытию и новому движению в науке. Если взять в расчёт ещё и развитие электроники в целом, то прогресс на лицо, а главное, что он как видно из наглядной статистики не спешит останавливаться. Можно просто объединить сказанное одним выражением: «Нам есть ещё к чему стремиться!».
Одним из крупных шагов в развитии автоматизированной технологии производства стало разработка 3D принтера. В 2012 году это устройство уже получило мировую огласку, докатившись и до России. Уже в первой половине года были произведены тестирования и анонсы будущего развития. На первый взгляд устройство предстает перед пользователем как нечто невообразимое, аппарат, который может создавать объёмные модели по нажатии клавиши любой сложности. Это сделало принтер технологией будущего, многие отметили что все последующее открытия будут связаны так или иначе с 3D принтером [13].
Это новомодный технологический процесс, который завоевывает все большее количество поклонников. Технология, такой печати, стала почти трендом, в основном благодаря обилию стильных и необычных аксессуаров, которыми перенасыщен интернет. Сегодня на 3D-принтерах печатается почти все: чехлы для телефонов и ювелирные украшения, забавные игрушки, но помимо этого цифровая печать создала ажиотаж в научном мире. 3D-принтер – удивительное изобретение человечества, ведь с его помощью можно создавать трехмерные объекты на основе компьютерных 3D моделей. Первые модели были громоздкими и дорогими, и использовались только промышленными, строительными и научными организациями. На сегодняшний день появились уже компактные 3D-принтеры для широкой аудитории пользователей. Такие устройства стали более доступны и есть возможность использовать их в домашних условиях. По отношению к 3D-принтерам высказывают довольно воодушевленные эпитеты, что это технология будущего или новая реальность, и это не будет преувеличением, ведь возможности таких принтеров уже достигли ощутимых высот. Есть уже случай, когда мировые СМИ сделали сообщение о том, что жительнице Голландии имплантировали челюсть, сделанную с помощью 3D-принтера.
Технологии трехмерной печати позволяют разработчикам, практически полностью, воссоздать внешний вид, тактильные качества и функциональность предполагаемого объекта. Новые технологии инженерам дают возможность изготовить уменьшенный макет, а конструкторы имеют возможность увидеть работу механизма «изнутри», создав конструкцию из прозрачного материала. 3D-принтеры уже сегодня успешно конкурируют с традиционными технологиями производства [3]. Если брать полный цикл производства, то 3D-принтеры имеют здесь преимущество, они значительно дешевле и быстрее, а еще просты в эксплуатации. Чтобы осуществить печать на 3D-принтере, достаточно быть уверенным пользователем персонального компьютера. Таким образом, исследования активно ведутся и можно предположить, что в самом недалеком будущем – лет через десять – применение 3D принтеров позволит создавать сложные трехмерные проекционные модели зданий с точностью передачи в 100 микрон, которые особенно актуальны для научных институтов, ведь теперь можно не только делать прототип, а и прикасаться к нему в проводимых исследованиях. Анализируя научную литературу по этой проблеме, мы не обнаружили его систематического освещения, хотя многими авторами некоторые аспекты создания, развития и применения 3D принтеров рассматривались.
Наша работа призвана доказать правомерность существования технологии, которая позволит выполнять полезные задачи в науке, искусстве, образовании, ювелирной промышленности и во многих других отраслях.
Таким образом, проблема исследования заключается в осмыслении создания и практического использования 3D принтеров.
Методологической основой исследования явились труды следующих ученых: Слюсар В. И., Иванов В. П., Ли Дж., Уэр Б., Снук Г., Херн Д., Бейкер М. П., Энджел Э.
Самым первым устройством для создания 3D-прототипов была американская SLA-установка, разработанная и запатентованная Чарльзом Халлом в 1986 году. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, как работает 3D-принтер: объекты наращиваются послойно. Первой моделью этой машины, имевшей широкое распространение, стала разработанная в 1988 году SLA-250. В 1990 году был использован новый способ получения объемных «печатных оттисков» — метод наплавления. Его разработали Скотт Крамп, основатель компании Stratasys, и его жена, продолжившие развитие 3D-печати. После этого стали активно использоваться понятия «лазерный 3D-принтер» и «струйный 3D-принтер» [4]. Современный исторический этап развития 3D-печати стартовал в 1993 году с созданием компании Solidscape. Она производила струйные принтеры, которые предшествовали трехмерным. В 1995 году двумя студентами Массачусетского технологического института был модифицирован струйный принтер. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Этот метод был запатентован, и теперь используется в созданной теми же студентами компании. Технологию стали развивать по всему миру. Появилось множество компаний, которые привносили новые возможности и улучшения. Прорывом в молодой технологии стало появление метода печати PolyJet, использующий для объемной модели фотополимерный жидкий пластик. Вариант такой 3Д-печати был более дешевым и точным. Это позволило делать не только макеты и прототипы, а и готовые к использованию объекты.
Для многих сегодня просто немыслимо отказаться от новых технологических новшеств, ставших необходимостью для человечества [11]. То, как работает трехмерный принтер, недавно было вне досягаемости для большинства пользователей, сегодня технология доступна каждому желающему. Благодаря этому устройству фантастика становится реальностью.
Главной задачей этого процесса является преобразование идеи модели в физический объект. Для этого эту самую идею на начальном этапе воплощают на компьютере при помощи программного обеспечения.
После создания 3D-модели можно запускать печать. Готовый файл помещается в программное обеспечение, где при необходимости можно изменять масштаб создаваемого объекта, ориентировать его и указать количество необходимых экземпляров. Подготовленная модель загружается в специальную программу для генерирования, которая делит объект на тонкие горизонтальные слои и формирует цепь команд, понятных принтеру.
Когда все нужные параметры будут заданы, нажатием одной кнопки объект выводится на печать: 3D-принтер печатает каждый уровень по принципу «слой за слоем», выдавливая на рабочую платформу тонкую струйку расплавленного материала [5]. В результате в камере построения создается физическая модель, которая по окончании процесса подвергается сушке и затем может быть извлечена.
Их можно рассмотреть более внимательно и даже взять в руки. Благодаря этому существует уникальная возможность представить, как будет выглядеть деталь в натуральной величине. Чтобы напечатать 3D модель требуется до нескольких часов, в зависимости от сложности изделия. Технология печати настолько продвинулась в последнее время, что существуют принтеры, которые могут печатать чем угодно, начиная от шоколада, заканчивая металлом и песком!
На что же способен 3Д принтер? Так ли он необходим человеку? В каких сферах используются сегодня 3Д-принтеры и какие способы их применения наиболее экзотичны?
3D-принтеры в последнее время набирают довольно широкую популярность, а область их применения расширяется с каждым днем. Мы поговорим о тех сферах, в которых трехмерные принтеры начинают активно использоваться.
Трехмерные принтеры могут применяться для создания архитектурных макетов зданий, отдельных городских районов, поселков. Применение таких моделей позволяет получить полноцветный макет.
Использование 3D печати в области образования позволяет быстро и легко получать полезные наглядные пособия для школьников и студентов, распространяющиеся в учебных заведениях. Если оснастить такие заведения 3D-принтерами, то это позволит сделать образовательный процесс еще более эффективным, а учащиеся смогут лучше усваивать материал. Трехмерная печать даст возможность студентам манипулировать настоящими физическими моделями.
Вот две основные выгоды, которые имеет образование от появления новой технологии:
- теперь учитель сам создаёт трёхмерные наглядные пособия, без которых сложно понять материал;
- 3D-принтеры позволяют реализовать обучение на практике: ученики могут самостоятельно создавать прототипы и необходимые детали, воплощая свои конструкторские и дизайнерские идеи.
В нашем городе есть Центр молодежного инновационного творчества, где детей обучают робототехнике, 3D-печати, 3D-моделированию, программированию и многому другому. Я посетил занятия в этом центре, где создал и распечатал свою 3-D модель.
Современные технологии трехмерной печати с успехом могут быть применены в сегодняшней медицине. В стоматологии, допустим, 3D печать позволяет получить протезы и коронки за гораздо более короткий временной срок, нежели при применении традиционной технологии выпуска. Помимо этого, также стоит отметить, что 3Д принтеры способны к воспроизведению точной копии отдельных частей тела человека либо полностью всего скелета для обучения врачей или для отработки приемов перед трудной операцией.
Возможность изготавливать живые органы в будущем даст большие возможности для медицинской отрасли. В ближайшее время трехмерные принтеры смогут создать любой орган. Это позволит пациентам избавиться от необходимости долго стоять в очереди, ожидая трансплантацию.
Трехмерная печать может быть применена и в сфере производства одежды. Дизайнеры, используя трехмерные принтеры, получают возможность быстрой разработки эксклюзивных моделей. Есть модельеры, которые уже успели освоить данное направление и выпускают коллекции, созданные на принтере.
Подобные технологии применяются не только в создании дизайна одежды, но также еще и для изготовления обуви и ювелирных изделий.
Принцип действия пищевого 3D принтера очень похож на принцип работы обычного струйного принтера. Только вместо картриджей с жидкими красителями в пищевом принтере используются картриджи с пищевыми ингредиентами. В памяти принтера хранится множество рецептов. Чтобы напечатать блюдо, необходимо выбрать один из рецептов и нажать на кнопку. После этого принтер, в соответствии с заложенным в него алгоритмом, начнёт слоями выкладывать ингредиенты на рабочую поверхность или на тарелку. Полученный таким образом продукт охлаждается или запекается.
В Самарском государственном аэрокосмическом университете разрабатывают 3D-принтер для печати шоколадных изделий. Представители СГАУ решили заняться пищевыми 3D-принтерами в связи с необходимостью обеспечить космонавтов сбалансированным питанием во время экспедиций.
Главные преимущества 3D принтера заключаются в следующем:
1) прототип объекта создается в короткие сроки без использования дополнительной оснастки;
2) обеспечивается возможность моделирования многих образцов для проведения исследований параметров и выбора оптимального варианта;
3) точность воспроизведения и детализация объекта его 3D прототипом не зависит от человеческого фактора и может считаться безошибочной.
Мы провели также исследование рынка на предмет услуг по 3D печати в городе. В Самаре имеется 8 точек по предоставлению данных услуг. Около 82 % процентов заказчиков обращаются с задачами изготовления аксессуарных изделий, небольших деталей, сувениров для личных нужд.
Мы напечатали на 3-D принтере к Новому году сувенир – символ 2016 года.
В процессе исследовательской работы проанализировав научную литературу, проследив историю создания 3D принтеров, выявив достижения и перспективы развития данной технологии в различных отраслях, посетив практическую мастерскую, где создал и распечатал свою модель – пришёл к выводу, что с каждым днем данная технология печати находит себя в новых областях. Интересной в области развлечений является такая услуга: любой желающий может сделать скан своего тела и получить свою миниатюрную копию. В области медицины постепенно входят в использование изготовление обуви, стелек, наушников, идеально повторяющих форму некоторых частей тела или же детальных частей для функционирования организма, например, участок черепной коры человека. Постепенно увеличивается размер деталей, а также расширяется выбор материалов для печати. В создании моделей с помощью 3D принтера полностью отсутствует ограничение на дизайн и сложность формы, что позволяет полностью задействовать свою фантазию и сделать индивидуальное и оригинальное изделие. Изделия получаются очень легкими, и при этом время их изготовления минимально. Данная технология только набирает обороты в своем развитии и распространении. Это можно увидеть исходя из нашего исследования в городе Самара. Большинство заказов относятся к группе личного интереса к новой технологии и не более. Но также нельзя не заметить, что уже идет процесс использования технологии 3D печати в крупных и полезных для общества проектах. За 3D принтером будущее! Вскоре трехмерные принтеры можно будет легко назвать волшебной палочкой, которая кардинально изменит мир, окружающий нас.
Литература:
- Иванов, В. П. Трёхмерная компьютерная графика / Под ред. Г. М. Полищука. – М.: Радио и связь, 1995. – 224 с.
- Ли, Дж., Уэр, Б. Трёхмерная графика и анимация. – 2-е изд. – М.: Вильямс, 2002. – 640 с.
- Слюсар, В. И. Фаббер-технологии: сам себе конструктор и фабрикант. – Конструктор. – 2002. – № 1. – C. 5 – 7.
- Слюсар, В. И. Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования. – Электроника: наука, технология, бизнес. – 2003. – № 5. – C. 54-60.
- Слюсар, В. И. Фабрика в каждый дом. Вокруг света. – № 1 (2008). – Январь, 2008. C. 96-102.
- Снук, Г. 3D-ландшафты в реальном времени на C++ и DirectX 9. – 2-е изд. — М.: Кудиц-пресс, 2007. — 368 с.
- Херн Д., Бейкер М. П., Компьютерная графика и стандарт OpenGL. – 3-е изд. – М.: Вильямс, 2005. – 1168 с.
- Энджел, Э. Интерактивная компьютерная графика. Вводный курс на базе OpenGL. – 2-е изд. – М.: Вильямс, 2001. – 592 с.
- Эванс Бриан, Практические 3D-принтеры: наука и искусство 3D-печати. Apress, 2012.
- Канеса И., Фонда С., Зенаро М. Доступная 3D печать для науки, образования и устойчивого развития. The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics, 2013.
- Михайлова, А. Д. Дошина // Молодой ученый. — 2015. — №20. — С. 40-44.
- Кристофер Барнат. 3D печать: третья индустриальная революция. 2013. 3D принтер. [Электронный ресурс— www.printbox3d.ru. 3D]
- www.ru.wikipedia.org
