«Що нам варто будинок побудувати, намалюємо, будемо жити»

За допомогою графічних комп’ютерних програм конструктори і дизайнери можуть на екрані монітора розглянути своє дітище з усіх боків і навіть зазирнути всередину. Єдине, чого вони були раніше позбавлені, — можливість помацати свій твір руками. Тепер цей пробіл усунуто — розроблені на комп’ютерах віртуальні об’єкти перетворюються на реальні предмети за допомогою спеціальних пристроїв, званих 3D-принтерами (від англ. 3-dimentional — тривимірний).

Технологія тривимірного друку вперше з’явилася в 1986 році, коли американець Чарльз Халл запатентував процес, названий ним стереолітографією. Суть процесу полягає в тому, що комп’ютер «ріже» тривимірний об’єкт на «шари» товщиною в частці міліметра, і кожен шар друкується на принтері в натуральну величину. Роблять це так: підкладку, або платформу, на якій буде знаходитися фізичне втілення віртуальної моделі, занурюють у рідкий фотополімер (органічна речовина, що затвердіває під дією світла) на глибину, рівну товщині елементарного шару майбутнього виробу. Потім в дію вступає керований комп’ютером ультрафіолетовий лазер і опромінює фотополімер, «малюючи» в ньому зображення першого (нижнього) шару. Після того як полімерізація закінчиться, підкладку опускають і лазер формує другий шар, за ним третій і так далі.

Промінь УФ-лазера, згідно з заданою програмою, фокусується на поверхню платформи, вкритої тонким шаром рідкої світлочутливої смоли. У результаті фотополімеризації утворюється перший шар шару шуканого об’єкта.

Сучасні стереолітографічні установки дозволяють створювати як зразки об’ємом до 1 м³ і точністю 0,05-0,15 мм, так і мікрооб’єкти та мікроструктури з роздільною здатністю 1-70 мкм. Незважаючи на високу собівартість обладнання і витратних матеріалів, стереолітографування багаторазово прискорює процес виготовлення фізичної моделі: об’єкти (прототипи) будь-якої складності за їх комп’ютерними моделями можуть бути «надруковані» на 3D-принтері всього за кілька годин, максимум — днів. Подібний підхід отримав назву швидкого прототипування і нині став уже стандартом при проведенні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт.

За допомогою валика на підкладці формують тонкий шар порошку, який потім опромінюють лазером. Відповідно до заданої топології частинки порошку спекаються або оплавляються, створюючи контур першого шару.

Однак не завжди для виготовлення деталей і моделей годяться полімери. Тому в промисловості нерідко використовують іншу технологію тривимірного друку — виборче лазерне спікання (ІЛС). Для такого виду «печатки» застосовують потужні лазери на вуглекислому газі, випромінювання яких здатне спікати або сплавляти частинки порошків найрізноманітнішої природи — від термопластичних полімерів, воску і звичайного цукру до кераміки, титану, алюмінію і сталей.

Лопатка газової турбіни і її «надрукована» прозора пластикова копія, на якій видно розташування каналів охолодження.

Різноманіття матеріалів дозволяє друкувати різні об’єкти. Отримані таким способом вироби, як правило, мають шорстку поверхню і пористу структуру.

Найчастіше лазерне спікання застосовують для двокомпонентних сумішей, наприклад металу з полімером. У цьому випадку легкоплавкий компонент виступає як зв’язувальний матеріал. Після обпалу готового виробу частинки пластмаси вигоряють, а частинки металу спекаються. При необхідності таку «губчасту» деталь можна просякнути металевим розплавом (наприклад, сталь/бронза), що додасть їй відносно однорідну структуру.

Лазерне випромінювання не єдиний спосіб забезпечити локальний нагрів частинок порошку. Розроблена настільна модель 3D-принтера, де спікання полімерних порошків здійснюється нагрівальними елементами «друкуючої» головки. Подібна технологія отримала назву виборчого термоспікання — ІТС. А існуючий у єдиному екземплярі 3D-принтер Solar Sinter, створений 2011 року студентом Лондонського королівського коледжу мистецтв Маркусом Кайзером, використовує півтораметрову лінзу Френеля. Під час випробувань, проведених у пустелях Єгипту, за допомогою сонячних променів вдалося розплавити звичайний пісок і сформувати з нього тривимірні об’єкти.

Принтер Solar Sinter (вгорі), створений Маркусом Кайзером, використовує енергію концентрованих сонячних променів, щоб спікати піщинки і створювати тим самим тривимірні об’єкти — такі, наприклад, як ємність для води (внизу)

Термін «3D-принтер», який використовується для позначення будь-якого пристрою, що послойно створює фізичні об’єкти, спочатку відносився до конкретного апарату. У 1993 році в Массачусетському технологічному інституті були розроблені і запатентовані так звана технологія 3D-друкування та обладнання для неї. Строго кажучи, саме цю розробку коректно називати 3D-принтером.

Побудова шару в таких пристроях здійснюється за допомогою однієї або декількох друкуючих головок, подібних до тих, що застосовуються у звичайних струменевих принтерах. Сопла головок розпорошують найдрібніші крапельки клеїчної речовини по поверхні порошку, розподіленої тонким шаром на спеціальній платформі. Можливості методу дозволяють комбінувати різні матеріали (гіпс/вода, сталь/акрилова смола, інертні наповнювачі/віск тощо).

За таким же принципом працює дивовижна машина D-shape, за допомогою якої можна будувати будинки висотою до двох поверхів і площею до 55 м². На поверхню фундаменту шаром до 10 мм насипають пісок, змішаний з каталізатором. Після цього за заданою траєкторією проходить друкуюча головка з соплом, через яке подається спеціальна клеїчна речовина. Отримана суміш «схоплюється», і утворюється матеріал, який не поступається за міцністю бетону. Слідом вкладається другий шар, і так, поки не дійде до даху.

За допомогою принтера D-shape можна будувати будинки з будь-якою формою і розташуванням внутрішніх стін, зводити сходи, колони, прикрашати фасад барельєфами.

Архітектори тепер можуть дати волю фантазії, хоча розробники не вказують, як видаляти з будівлі невикористаний пісок, а також як не дозволяти піску висипатися через формовані дверні та віконні проеми.

Будівельний 3D-принтер має раму розміром 7,5 ^ 7,5 м, по якій рухається утримувач з друкуючою головкою. У міру зведення будівлі рама піднімається вгору по чотирьох стійках.

Можливості тривимірного друку широко використовують в медицині. За допомогою томографії створюють післяйні зображення досліджуваного органу. На їх основі будують (а точніше — «друкують») фізичну модель, на якій лікарі продумують план хірургічної операції.

3D-принтери знайшли і ще одне застосування: дозволяють створювати імплантати для прискорення післяопераційної регенерації ділянок віддаленої кісткової тканини. Лікарі створюють точну тривимірну модель пошкодженої ділянки і «друкують» її з біорозкладуваного сополімера полімолочної і полігліколевої кислот. Для додання міцності отриманий мікропористий зразок покривають тонким шаром кальцій-фосфатної кераміки. Вже через вісім тижнів після вживлення керамічне покриття зростається з краями здорових ділянок кістки, а через півтора року імплантат повністю розпадається, поступаючись місцем регенерованої кісткової тканини.

Модель черепної коробки після трепанації, виготовлена на 3D-принтері, так само як і «заплатка», якою закриють отвір, дає можливість хірургам спланувати операцію і провести тренування.

Розвиток струменево-порошкового різновиду об’ємного друку призвело до створення простих в обігу і щодо недорогих офісних 3D-принтерів. Вже випускаються пристрої для персонального використання, наприклад показаний на фото принтер Cube ціною 1300 доларів і ряд інших моделей ціною до 2000 доларів.

Зовнішній вигляд 3D-принтера Cube і виготовлені за його допомогою вироби.

Для побудови об’ємних моделей в них використовується так званий метод післяйної заливки екструдованим розплавом, розроблений ще в кінці 1980-х років. Полімерна нитка, проходячи через сопло термоголовки (екструдера), нагрівається і у вигляді розплаву подається в зону друку, де, застигаючи, формує елементи шуканої структури. Принтер Cube забезпечується картриджами 10 кольорів, яких вистачає, щоб створити 10-12 виробів середнього розміру (максимальний розмір 14 ­ 14 14 см).

3D-друк поступово стає поширеним захопленням. Групи любителів об’єднуються через інтернет у спільноти для обміну досвідом та ідеями. В інтернеті вже з’явилися сайти компаній, які охоче і не надто дорого втілять у «залізі» ваші задумки. А деякі компанії пропонують дизайнерам викладати на корпоративних сайтах свої комп’ютерні моделі і обіцяють авторам пристойні гонорари. Правда, лише в тому випадку, якщо на них будуть надходити замовлення.