В последние годы наблюдается стремительное развитие трехмерной печати. 3D принтером уже трудно кого-либо удивить, при этом если раньше можно было рассказывать о том, что же получается с помощью такой технологии, то сегодня проще сказать, что создать нельзя. Дальнейшее развитие этой технологии позволило применить трехмерную печать в самых разных областях деятельности человека. Практически каждый месяц в средствах массовой информации мы слышим о появлении уникальных инноваций и новых технических решений, связанных с 3D печатью.

Конструирование и промышленное производство

В настоящий момент 3D печать используется не только для изготовления каких-либо бытовых предметов или игрушек. Данная технология начинает приобретать настоящую промышленную мощь и использоваться, например, при создании современных самолетов. В частности, ученые Технологического института Массачусетса не так давно создали оригинальные легковесные структуры. Они печатаются на специальных 3D принтерах, а далее собираются вместе по принципу конструктора ЛЕГО.

Таким способом исследователи пытаются создать полноценный самолет из огромного количества мелких, идентичных друг другу деталей, созданных на устройствах трехмерной печати. При этом легковесные структуры, разработанные в недрах Института, в несколько раз крепче существующих легких материалов, используемых при изготовлении авиатехники. Самолеты, созданные из огромного числа мелких, легковесных фрагментов, смогут стать более экономичными в плане расхода топлива, уменьшатся и расходы на их эксплуатацию. В случае необходимости такие легкие структуры могут быть разобраны и восстановлены, причем неограниченное количество раз. По мнению исследователей, новые легковесные структуры способны обеспечить настоящую революцию в создании самолетов и космических аппаратов.

Огромные перспективы трехмерной печати уже по достоинству смогло оценить руководство Rolls-Royce. Недаром эта английская компания публично объявила о начале применения 3D печати для изготовления авиационных двигателей. Преимущество использования данной технологии состоит в том, что она предоставляет возможность создавать уникальные по своей форме детали, которые невозможно получить сегодня из-за особенностей традиционного технологического процесса. Ко всему прочему, Rolls-Royce будет использовать 3D печать для создания полноценных моделей отдельных деталей двигателя с целью их тестирования и дальнейшего запуска в производство.

В то время, как одни только начинают применять трехмерную печать в конструировании и промышленном производстве, другие компании уже могут похвастаться серьезными инновационными достижениями. Так, компания Aerojet Rocketdyne представила первый 3D-печатный ракетный двигатель, успешно прошедший все испытания. Двигатель «Baby Bantam» был полностью изготовлен с помощью аддитивного производства. Он использует жидкий кислород и керосин для создания тяги.

Такие сложные ракетные двигатели, которые могут применяться и в космической отрасли, обычно создаются из огромного числа деталей, однако при использовании 3D печати требуется изготовить только три отдельных компонента. Это инжектор с узлом обтекания, камера сгорания, плюс специальная горловина сопла и сопловой отсек. В результате, время проектирования и стоимость производства сложных двигателей существенно сокращаются. По оценкам инженеров, стоимость изготовления ракетного двигателя при использовании трехмерной печати снижается на шестьдесят пять процентов.

Строительство и интерьеры

Строительство зданий и сооружений – еще одно перспективное направление для применения 3D печати. Из самых последних инноваций в этой области можно отметить появление устройства, предоставляющего возможность «печати» до десяти домов в сутки. Его представила компания WinSun из Китая. Сам такой 3D принтер представляет собой масштабное устройство высотой практически в трехэтажный дом, достигающее тридцати метров в длину и одиннадцати в ширину.

Принтер работает следующим образом. Бетон в жидком состоянии заливается в особые емкости. Он засыхает, образуя стены здания слой за слоем. Результатом такого печатного процесса становится полноценное здание с крышей, стенами и перекрытиями. За сутки устройство может «распечатать» десять домов площадью двести кв. метров каждый. Себестоимость возведения здания достигает порядка сорока восьми тысяч долларов, что довольно таки экономично. Важно, что с помощью программных средств можно вносить коррективы в планировку и особенности здания, чтобы после строительства можно было легко оснастить дом электропроводкой и изоляционными материалами.

Еще одним преимуществом использования 3D печати для создания домов является то, что после строительства не остается никакого мусора. Применение трехмерной печати приносит строительным компаниям существенную экономию – до пятидесяти процентов от стоимости недвижимости. В китайской компании надеются на то, что подобное устройство может позволить реализовать на практике программу строительства доступного социального жилья.

3D принтеры также начинают использоваться при проектировании и оформлении интерьеров помещений, для создания оригинальных дизайнерских аксессуаров и мебели. Например, французская компания Drawn уже выпустила собственную коллекцию эксклюзивной мебели, распечатанную на 3D принтере. Она была показана на выставке MakerFaireParis. В качестве принтера использовалось инновационное устройство с роботизированной рукой, которое было названо Galatea. Напомним, что Галатеей звали статую прекрасной женщины, которая была создана мифологическим скульптором Пигмалионом.

На этом устройстве можно печатать мебель достаточно большого размера, при этом используя различные цветовые гаммы. Использование 3D принтера позволяет дизайнерам воплотить в жизнь самые смелые и разнообразные проекты. Если посмотреть на мебель, изготовленную на принтере Galatea, то невооруженным взглядом можно заметить отдельные слои. К сожалению, это характерная особенность аддитивного производства. Однако слои лежат очень ровно и, по мнению представителей компании Drawn, они способны только привлечь к мебели дополнительное внимание.

Энергопотребление

Технология трехмерной печати продолжает активно развиваться, охватывая все новые области. Одна из важнейших задач, которая в настоящий момент стоит перед ведущими мировыми производителями, начиная от сферы электроники и заканчивая электромобилями – это снижение энергопотребления. Здесь им может помочь все та же 3D печать. Таково мнение исследователя  Гарвардского университета Дженифер Льюис, которая представила первые печатные батарейки. Такие батарейки были созданы посредством «функциональных» красок из нано частиц лития. Они затвердевают практически ровно в тот момент, когда создаваемый объект получил необходимую форму.

Распечатка 3D батарей
Слева, распечатанная батарея на площади 1 мм. Справа, массив анодов, перед распечаткой катодов (Источник: technologyreview.com)

Сам процесс печати привычных нам батареек занимает несколько минут, поскольку подобные чернила сохнут быстро. А самое главное, что батарейки, созданные по методике Льюис, ни в чем не уступают по эффективности существующим источникам питания. При этом они отличаются куда большей компактностью и меньшим весом. В этой связи данная технология может быть использована для создания миниатюрных элементов питания, способных поддерживать нужный заряд. Кроме того, ее можно применить не только к производству батареек, но и к созданию проводки, электродов и антенн.

Медицина

В медицине технология 3Dпечати уже успешно применяется, прежде всего, для изготовления костных имплантатов, протезов и различных ортодонтических конструкций. 3D устройства позволяют создавать любые медицинские импланты в точном соответствии с человеческим телом. Наибольшее распространение трехмерная технология получила в эстетической стоматологии, где она позволяет создать зубной протез, учитывающий  анатомические особенности в полости рта пациента, а также существенно сократить сроки изготовления таких протезов.

Но стоматологией область применения 3D печати отнюдь не ограничивается, и сегодня предпринимаются попытки охватить такие направления, как фармацевтика или даже печать органов. Например, американская компания Roche Pharmaceuticals провела успешные тесты образцов печатных клеток печени на предмет воздействия токсичных веществ. Клетки реагировали на препараты точно так же, как это происходит в естественной среде человеческого тела.

Печатные клетки могут в дальнейшем использоваться в медицине для оценки уровня токсичности, вызванной ядовитыми химикатами. В этом плане трехмерные образцы являются чрезвычайно эффективными для тестирования лекарств. Таким образом, 3D печать может занять ключевое положение  в области исследования современных лекарственных препаратов. Ведь не секрет, что стоимость неудавшихся  испытаний лекарств достигает в среднем около сорока процентов расходов фирм, занятых в области фармацевтики. Технология трехмерной печати клеток может не только снизить стоимость тестируемых лекарств, но и способствовать их более быстрому выводу на рынок.

А вот исследователи из австралийского университета Вуллонгонг представили публике новое инновационное устройство — медицинский 3D-принтер BioPen. По существу, это трехмерный хирургический инструмент, выглядящий как обычная ручка или карандаш. С его помощью можно «печатать» человеческие ткани, нанося их на поврежденный участок. В качестве чернил здесь используется смесь из стволовых клеток с защитным полимером.

Экструдирование клеточного материала на поверхность кости (Источник: uow.edu.au)
Экструдирование клеточного материала на поверхность кости (Источник: uow.edu.au)

Принцип печати заключается в том, что стволовые клетки наносятся на поврежденный участок ткани слой за слоем. При этом от внешней среды они защищаются полимером. Стволовые клетки постепенно превращаются в живые клетки, тем самым, полностью излечивая поврежденное место. Использовать трехмерный хирургический инструмент вполне возможно в условиях обычной больницы. С помощью BioPen можно выполнить практически любое искусственное наращивание ткани, ее замену, а также восстановление поврежденных костей. Инновационный инструмент уже проходит клинические испытания в Мельбурне.

Впрочем, трехмерные технологии начинают использоваться не только в таких сложных областях, как авиастроение или фармакология, но и в обыденной жизни. Например, в прошлом году на Kickstarter был запущен проект финансирования первой 3D-ручки, получившей название 3Doodler. Теперь она свободно продается в Интернете. С помощью такой ручки можно «рисовать» пластиком самые разнообразные трехмерные фигуры. Это оригинальный гаджет, использующий быстро застывающую пластиковую пасту. Вследствие нагрева до определенной температуры пластик начинает вытекать из ручки, затвердевая на любой поверхности. Быстрому охлаждению способствует встроенный в ручку небольшой вентилятор. 3Doodler может использоваться для проведения презентаций, а также для создания трехмерных макетов и сувенирной продукции. Рисование такой ручкой сильно напоминает знакомое нам выжигание по дереву.

Таким образом, быстро уходят в прошлое времена, когда 3D принтеры казались чем-то дорогим и недостижимым для обычного человека. Сегодня они используются в различных областях деятельности, в том числе постепенно становятся доступными и в быту. Интерес к 3D печати действительно огромный. Достаточно сказать, что на выставке CES в этом году было представлено несколько тысяч новых продуктов и уникальных разработок, относящихся к 3D печати. Вероятно, уже в самом ближайшем будущем нас ждут новые революционные решения и инновации в данной области, способные буквально изменить повседневную жизнь человека.