Технология 3D печати постоянно развивается. Люди уже представляют себе мир, где все можно напечатать на своем домашнем принтере: мебель, машину и даже сам дом. Но все это пока лишь фантазии. И, чтобы понять, насколько близко это чудесное время, мы попросили генерального директора CubicPrints Романа Архангельского рассказать, как вообще работает технология 3D печати и какие у нее на самом деле перспективы.

Первая технология 3D-печати была изобретена в 1984 американцем Чарльзом Халлом и получила название стереолитография (Stereolithography, SLA). Суть SLA печати заключается в выращивании трехмерных моделей путем отверждения жидкого полимера ультрафиолетовым лазером. Все последующие технологии печати на 3D-принтере строятся по похожему принципу. Как же это работает?

Прежде всего, с помощью специализированных программ, которых сейчас великое множество, создается твердотельная 3D-модель объекта. Твердотельная – значит, что в модели задаются необходимые толщины стенок, в этом основное отличие модели для 3D-печати от цифровой визуализации.

3D-модель сохраняется в «съедобный» для большинства 3D-принтеров формат .STL и открывается в непосредственно созданном для принтера ПО, где выстраивается задание для печати – модель автоматически «нарезается» на тонкие слои и переводится в понятный для оборудования двоичный код. Получив задание на печать, принтер начинает послойно выращивать объект по 3D-модели. Поэтому и необходимо задавать в модели толщины стенок, чтобы принтер понял, в каком месте сколько материала наносить. Объект выстраивается на рабочем столе принтера, подача материала или отверждение/спекание уже заложенного в камеру принтера материала (в зависимости от технологии) происходит с помощью печатающей головки. Печатающая головка двигается по рабочему столу принтера в горизонтальной плоскости по осям XY, а рабочая платформа по мере печати каждого слоя обычно немного опускается вниз по оси Z в соответствии с заданным в настройках принтера шагом печати. Чем меньше заданный шаг печати (толщина слоя), тем более гладкая поверхность получается у выращенного изделия.

Процесс похож на печать обычным типографским принтером, когда чернила из картриджа наносятся на бумагу тонким слоем. Только в случае 3D-принтера таких слоев много, и каждый следующий слой наносится на предыдущие. Поскольку 3D-принтеры обычно работают с пластиками или другими жесткими материалами, то и слои получаются толще и прочнее, чем чернила в бумажном принтере, и поддерживают друг друга.

Простые бытовые принтеры обычно печатают по технологии FDM (Fused Deposition Modeling — послойное наплавление расплавленной полимерной нити). В принтер заправляется катушка с пластиковой нитью (филаментом). Нить вставляется в печатающую головку принтера (экструдер), там она нагревается и размягчается. Размягченный пластик «вытекает» из сопла и ложится на рабочий стол в соответствии с траекторией движения печатающей головки. Печатающая головка определяет свой «маршрут» по 3D-модели, преобразованной в компьютерный код. Нанесенный на рабочий стол расплавленный пластик быстро застывает и служит опорой для следующего слоя – так постепенно формируется пластиковое изделие. 

Самые распространенные в мире профессиональные и промышленные принтеры обычно имеют в печатающей головке лазер, который так же послойно в соответствии 3D-моделью отверждает жидкий материал или спекает порошковый материал. 

Ключевое назначение 3D-печати – создание прототипов изделий для проверки собираемости, функциональности, дизайна и т.п. Исходя из назначения, выделю основные преимущества технологии – скорость, точность, удобство правки цифровых 3D-моделей.

Для большей ясности рассмотрим преимущества на примере: инженерная компания разработала новое устройство, для которого нужно сделать корпус. Прежде чем вкладывать довольно большие деньги в массовое производство, необходимо проверить нет ли в конструкции ошибок. С помощью 3D-печати можно быстро (в течении нескольких часов или суток в зависимости от технологии печати и габаритов изделия) изготовить прототип корпуса, при этом возможно напечатать сложную форму, которую тяжело или даже невозможно сделать «вручную» или другими способами. Поскольку 3D-принтер выстраивает задание по 3D-модели и исключается человеческий фактор, то и снижается вероятность «дрогнувшей руки» при изготовлении детали, повышается точность. Если при проверке отпечатанного прототипа обнаруживаются инженерные ошибки, то их легко исправить в 3D-модели и заново оперативно напечатать следующий образец.

Еще одно важное преимущество 3D-печати - возможность быстро и дешево изготавливать единичные изделия. Традиционные технологии производства обычно нацелены на массовое производство, и делать одну штуку никому неинтересно и нерентабельно, т.к. есть стоимость запуска оборудования и другие факторы. В 3D-принтере можно сразу разместить несколько разных моделей, принтеру всё равно по какому заданию выращивать предметы. А стоимость 3D-печати зависит от объема «полезного» материала, затраченного на построение модели. Поэтому 3D-печать прекрасно подходит для кастомизированных изделий.

Мировой рынок 3D-печати активно растет: по данным E&Y c 2011 по 2015 год он увеличился почти в 3 раза. На западном рынке активно развивается 3D-печать металлами, в Китае вовсю производят новые бюджетные 3D-принтеры для домашнего использования.

Что касается отечественного рынка, то здесь развитие замедленное, большинство технологий, принтеров и расходных материалов идут из-за рубежа. Также надо сказать, что, как ни крути, на сегодняшний день 3D-печать нацелена на B2B-рынок, поскольку именно здесь находятся специалисты, которые остро нуждаются в быстром прототипировании и производстве с помощью 3D-принтеров, а также понимают, как технология работает, владеют 3D-моделированием. Основными мировыми потребителями 3D-печати являются производственные и инжиниринговые компании, фармацевтические и медицинские организации, машиностроительная и авиакосмическая отрасль.

Что касается развития B2C рынка, то здесь пока что много ограничений. В первую очередь, в компетенции людей: 3D-моделирование - задача нетривиальная, и мало кто обладает необходимыми навыками. Следующим препятствием становится соотношение технологических возможностей и стоимости 3D-печати. Логично, что чем дешевле материал, тем более ограничено его применение. Люди, как правило, хотят заказывать сувенирные вещи, оригинальные подарки, сломанные бытовые детали сложной формы и т.п. Для таких задач обычно требуется печать на профессиональных 3D-принтерах, но в этом случае стоимость производства выше, чем при использовании бюджетных настольных машин, поскольку используется более дорогое импортное оборудование и сырье. Исходя из нашего опыта, можем сказать, что большинство российских сервисов 3D-печати, которые были направлены на «развлекательную» 3D-печать для физлиц, либо закрылись, либо переориентировались на какое-то узкое направление на B2B-рынке. Мы, например, поменялись естественным путём. К нам всё больше обращались инженеры, конструкторы, разработчики и технологические стартапы. Так мы поняли, что инженерно-производственная сфера больше других рада 3D-принтерам, потому что они позволяют быстро провести испытания новой разработки, сэкономить силы и деньги.

Что касается перспектив 3D-печати на российском рынке, то здесь есть следующие направления – в B2B-сегменте все больше организаций оценят преимущества 3D-печати. В B2C сегменте тоже неминуемо развитие, однако, по ощущениям, глобальных изменений в пользу физлиц в ближайшие несколько лет ожидать не стоит. Во-первых, должна снизиться стоимость принтеров и материалов. Радует, что появляется все больше отечественных производителей 3D-оборудования и расходников, которые смогут предложить более выгодные цены по сравнению с западными компаниями. Во-вторых, бюджетные 3D-принтеры должны преодолеть свои текущие технологические ограничения. В-третьих, нужно развивать навыки 3D-моделирования и осведомленность о технологии среди населения. По этому направлению тоже заметны подвижки, во многих технических ВУЗах и некоторых школах уже введен курс 3D-моделирования.