Джордж и код, который не взломать

3D-печать

Что такое 3D-печать, чем она отличается от обычной печати и что в этом такого удивительного?

Что такое «3D»?

Буква D означает «dimension», то есть измерение. Соответственно, то, что мы называем 3D, или трёхмерным, имеет следующие три измерения:

• длина (первое измерение);

• ширина (второе измерение);

• высота (третье измерение). Рисунок на листе бумаги – это двумерное (плоское) изображение, а вот физические объекты, с которыми ты имеешь дело каждый день, например велосипед, тарелка супа или твой собственный нос, – трёхмерны.

Нарезаем колбасу!

Двумерная печать – это то, что мы обычно подразумеваем, говоря «печать» – например, распечатать что-то на принтере, подсоединённом к компьютеру дома, или в школе, или в библиотеке.

Двумерный принтер:

• Как правило, в двумерном принтере используются специальные чернила для перенесения двумерных изображений на бумагу.

• Двумерный принтер берёт электронный файл, описывающий двумерное изображение – например, фотографию, сделанную цифровой камерой, или документ Word, – и затем электронным способом «нарезает» его на множество очень тонких полосочек. Этот процесс иногда называется «нарезкой колбасы» – по сходству.

• Затем принтер берёт каждый электронный кусочек и аккуратно льёт цветные чернила на соответствующий фрагмент бумаги, чтобы получить точное изображение этого кусочка.

• Затем повторяет эту операцию для следующего кусочка, потом для следующего, и так до тех пор, пока на бумаге не отобразится весь рисунок полностью.

• Художники и кинематографисты заставляют 2D-объекты выглядеть как 3D, используя разные приёмы: в рисунках – перспективу, в фильмах – 3D-спецэффекты. Но это – оптическая иллюзия, а сами изображения двумерны: у них есть только ширина (первое измерение) и высота (второе измерение).

Когда мой сын был маленьким, он как зачарованный следил за принтером, из которого с жужжанием выползали фотографии и письма. А потом, когда мы что-то покупали через интернет, например игрушку, он не сводил глаз с экрана, ожидая, что покупка вот-вот выпрыгнет на него из принтера! Между прочим, с точки зрения четырёхлетки это было вполне логично. Интересно, что сейчас это близко к реальности – по крайней мере, для некоторых видов игрушек.

Как сделать настоящий 3D-объект

При 3D-печати создаётся недвумерный, а настоящий трёхмерный объект. Устройства, которые это делают, называются 3D-принтерами.

• Процесс начинается, как и в случае 2D-печати, с электронного файла. Однако это особый вид файла, который называется «модель системы автоматизированного проектирования» («модель САПР»). Он описывает все до единой детали объекта, выбранного для 3D-печати.

• Если посмотреть на модель САПР выбранного объекта на экране компьютера, вы увидите его так, как увидели бы со стороны, но при этом можете как бы «пролететь сквозь него» и увидеть, как он выглядит с любой точки изнутри самого этого объекта.

• 3D-принтер нарезает модель САПР, как колбасу, на электронные «кусочки» и складывает их один на другой; толщина каждого «кусочка» – около 20 микрон.

• Хотя все эти «кусочки» трёхмерны, потому что наряду с шириной и высотой у них есть толщина (она же длина), 3D-принтер воспринимает каждый «кусочек» как двумерный поперечный срез, точно показывающий, как выглядел бы объект в разрезе.

• 3D-принтер печатает каждый «кусочек колбасы», начиная с нижнего, – как обычный принтер печатал бы двумерные изображения. Но он не льёт чернила на бумагу, а воспроизводит все детали каждого «кусочка» как 20-микронный слой «вещества».

• Материал для каждого «кусочка» высыхает и затвердевает, и 3D-принтер перескакивает на следующий уровень и воспроизводит следующий «кусочек» – как 20-микронный слой на предыдущем.

• Этот процесс повторяется снова и снова, пока все «кусочки» модели САПР не будут напечатаны один поверх другого и, таким образом, будет создан настоящий 3D-объект!

20 микрон, или 1/50 миллиметра, – это примерно 25 % толщины волоса! Таким образом, модель САПР-объекта высотой в 10 см будет нарезана примерно на 5000 электронных кусочков.

Факты про 3D-принтеры

• Самый распространённый материал для 3D-принтеров – это пластик, потому что он в жидком виде легко выдавливается наружу в очень малых количествах и быстро затвердевает. К тому же это идеальный материал для изготовления прототипов (моделей новых вещей, таких как здания или автомобили). Поскольку современные устройства могут использовать несколько разновидностей пластика одновременно и печатать в цвете, прототипы получаются весьма реалистичными. Это пока что основное применение 3D-принтеров.

• Сегодня используются два основных типа 3D-принтеров:

1. Экструзионная машина: материал выдавливается из специальной насадки, примерно как торт покрывают глазурью с помощью кондитерского мешка. Эти принтеры очень удобны при производстве разноцветных изделий, потому что можно с лёгкостью добавлять новые насадки.

2. Станки: чаще всего применяются при работе с металлическим порошком. Порошок засыпается в таком количестве, чтобы заполнить один срез; затем мощный лазер сплавляет порошок в твёрдое состояние в строго определённых местах. Когда модель готова, лишний порошок выметают.

• В ближайшие несколько лет, как думают учёные, машины, использующие пластик, станут более привычными в быту, и мы сможем скачивать из интернета данные о формах и распечатывать их в трёхмерном виде – например, трёхмерные шлемы или игрушки. Представьте себе, можно распечатать собственную статую в виде, например, Гарри Поттера!

• На заводских 3D-принтерах печатают, например, лёгкие и прочные детали для самолётов – а это значит, что самолёты становятся безопаснее и потребляют меньше топлива. В таких принтерах применяются металлы и керамика.

• На 3D-принтере можно распечатать медицинское оборудование, например имплантаты бедренных суставов или зубов или черепные пластины для «латания» отверстий в черепе; трёхмерная печать позволяет изготовить их точно такими, какие требуются конкретному пациенту.

Роботы будущего?

Нынешние 3D-принтеры работают довольно медленно и настроены лишь на несколько определённых материалов. Распечатать целого робота пока что невозможно: для этого понадобились бы сложные взаимосвязанные части, сделанные из самых разных материалов: металлические детали, шестерни и двигатели, магниты, провода, пластмасса, масло, смазка, кремний, золото, даже иттрий и вольфрам! Зато вполне можно было бы изготовить детали для роботов на 3D-принтере на полностью автоматизированном заводе, где один робот затем снял бы эти детали с принтера, другой отполировал бы их, третий произвёл бы сборку…

Роботы на 3D-принтере (и при помощи других технологий) делают роботов?

Может быть, именно так будет выглядеть наше будущее?

Тим