Шоколад, сердце и суперкар: что уже можно печатать на 3D-принтерах

Сферы применения 3D-печати

Двадцать лет назад идея трехмерных печатных изделий показалась бы нам такой же неосуществимой, как световые мечи или путешествия посредством телепортации. Сейчас же можно сказать, что все новые сферы жизни обращаются к использованию готовых 3D-объектов, а сам процесс их изготовления становится дешевле, проще и надежнее, постепенно заменяя традиционные методы производства. 3D-принтеры давно перестали быть достоянием закрытых лабораторий и современных предприятий. Теперь любой желающий может позволить себе работу с подобным оборудованием, воплощая в жизнь свои идеи. Применение 3D-принтеров позволяет минимизировать ручной труд и сложные вычисления. Также при создании моделей снижаются ограничения на дизайн и сложность формы, что может оказаться весьма полезным в целом ряде областей.

Моделирование бытовых предметов

Бытовое использование 3D-принтеров встретило широкий отклик у обычных пользователей. Крепежи и держатели для техники, создание миниатюрных моделей, спортивного инвентаря, канцелярских принадлежностей, простейших инструментов и расходников — технология породила огромное количество уникальных решений и лайфхаков, способствуя привлечению интереса и расширению аудитории желающих воспользоваться благами 3D-печати.

Легкая промышленность

Производители также смекнули, что использование технологии поможет им нарастить обороты и снизить затраты при создании широкого спектра потребительских товаров. Сюда можно отнести как различные мелочи, так и одежду и обувь, изготовленные из резины, пластика и полиуретана. 3D-печать успешно применяется и в ювелирном деле — для получения сложных в исполнении изделий из металлического порошка.

Медицина

Эта область выиграла от создания 3D-печати, пожалуй, больше всех остальных. Технология используется и в профильном образовании, и в практической медицине: из специальных материалов создаются более удобные протезы, лишенные недостатков «конвейерной продукции», имплантаты, оборудование и многое другое.

Археология

Еще одним интересным направлением для применения 3D-принтеров стали археология и история при создании моделей. Другими словами, ученые используют 3D-технологии для анализа точных копий археологических артефактов, чтобы случайно не повредить реликвии. Также 3D-печать необходима исследователям, если на раскопках удалось найти лишь часть артефакта. В этом случае, отсканировав имеющийся фрагмент, можно из оцифрованной модели создать утраченные детали и элементы и распечатать уже итоговую картину.

Машиностроение

Эффективное использование в спайке технологий 3D-моделирования и печати позволяет значительно упростить создание как опытных моделей, так и серийных продуктов. Всего одно нажатие на кнопку — и принтер изготовит деталь, которая потребовала бы много времени и сил в случае работы вручную. Опять же, делегирование принтеру задач по изготовлению снимает «эффект дрогнувшей руки» (человеческий фактор), гарантируя качество производимой продукции.

Архитектура и дизайн

Наконец, использование технологии 3D-печати помогло усовершенствовать процесс моделирования и строительства: от создания интерьера и печати миниатюрных моделей, позволяющих оценить эргономичность и внешний вид прототипа, до возведения модулей и целых зданий.

Необычные вещи, сошедшие с конвейера 3D-принтеров

Еда

Идея использовать вместо пластиковых гранул пищевые составляющие появилась едва ли не одновременно с самой технологией 3D-печати. Первый пищевой 3D-принтер появился в 2010 году. Модель получила говорящее имя Cornucopia, или «Рог изобилия», и предназначалась для печати блюд. А еще через год подоспел и первый 3D-принтер — Choc Creator Version 1, созданный в Великобритании и печатающий кондитерские изделия из настоящего шоколада.

Сегодня модели, штампующие продукты питания — простите за каламбур — как горячие пирожки, используются как мелкими производителями, так и крупными компаниями. Подобной технологией даже заинтересовались в NASA, рассчитывая с ее помощью обеспечить питанием своих астронавтов. Предполагалось, что на орбите будут доступны не только протеиновые батончики, но и натуралистичные блюда вроде пиццы или стейка с гарниром.

Лекарства

В медицине технология 3D-печати уже сейчас принесла огромную пользу и даже спасла немало жизней. Самое меньшее, что можно указать в данной теме — это 3D-печать таблеток. Подобная практика позволяет создавать нужное лекарство на месте, ориентируясь на рецепт, в случае, если поставки медикаментов от фармацевтических компаний по какой-то причине приостановятся. В США соответствующие органы в 2015 году дали согласие на производство первого 3D-печатного лекарства Spritam, направленного на снижение эпилептических приступов. Пока что идея «печатных таблеток» проходит апробацию, прежде чем ее можно будет использовать в отношении более широкого спектра лекарственных препаратов.

Органы и части тела

В США благодаря 3D-моделированию врачи провели успешную операцию по разделению сиамских близнецов, сросшихся в области груди до таза. Специалисты использовали данные компьютерной томографии для создания трехмерной модели скелетной анатомии. Внутренние органы были изготовлены из резиноподобного материала. 3D-модель легко собиралась и разбиралась, чтобы врачи могли моделировать различные процедуры и приемы. В итоге близнецы перенесли успешную операцию, когда им было чуть больше 10 месяцев. Процедура заняла 26 часов.

Американский научно-популярный журнал Popular Science опубликовал статью под названием «5 частей тела, доступных для 3D-печати». Среди человеческих внутренних органов, частей тела и тканей значатся ухо, почки, кости, клетки кожи и кровеносные сосуды. Над этими многообещающими проектами бьются сразу пять научных коллективов из трех ведущих научно-медицинских центров. Благодаря данным разработкам можно будет наращивать кожу прямо на ране, исключив необходимость пересадки, или создавать почку из взятого у пациента биоматериала с саморазлагающимся каркасом. Это похоже на саморастворяющиеся нити в хирургии: каркас разлагается естественным образом внутри человека, таким образом, никаких дополнительных операций проводить уже нет необходимости.

В Гарвардском университете напечатали сердце, имитирующее все возможности настоящего органа. Оно содержит микроскопические датчики, отслеживающие сокращение при использовании различных фармакологических препаратов. Это сердце не является имплантатом в привычном понимании и в первую очередь создано для проведения научных исследований, однако сам факт подобной разработки свидетельствует о том, что печать столь сложных органов уже давно не является проблемой для современной науки.

Имплантаты, протезы и экзоскелеты

В Квебеке 3D-печать используется Центром промышленных исследований для создания челюстных имплантатов. Компания Conformis из Соединенных Штатов представила две модели индивидуальных имплантатов тазобедренного сустава, напечатанных на 3D-принтере.

В Нидерландах был внедрен инновационный метод замены коленного сустава в амбулаторных условиях с использованием трехмерной печати. Болгарскими хирургами было успешно пересажено ребро из полиамида, созданное при помощи 3D-печати.

Британские ученые из Бирмингема смогли удачно пересадить протез, напечатанный на 3D-принтере, для замены поврежденного участка грудной клетки, а их российские коллеги совсем недавно зарегистрировали 3D-позвонки из титана для парализованных пациентов. Обещается, что отечественные имплантаты будут в пять раз дешевле импортных, а чтобы напечатать нужный позвонок, от пациента будет достаточно снимка МРТ.

Доктор Мэтью Дикинсон из Университета Центрального Ланкашира вдохновился идеей 15-летней ученицы колледжа Кристины и совместно со своими студентами разработал и опробовал на добровольцах экзоскелет, предназначенный для помощи лицам со спинальной мышечной атрофией. В 2021 году за свою разработку, способную значительно облегчить жизнь тысячам человек, коллектив был награжден премией Макроберта, присуждаемой за достижения в области инженерии.

Одежда

Технология 3D-печати используется и в создании одежды — и не только будничных платьев, но и модных моделей. В 2011 году модельер Айрис Ван Херпен продемонстрировала публике на Международной неделе моды в Амстердаме свою коллекцию «Эскапизм»; наряды моделей были созданы с применением 3D-печати. Это событие послужило началом целого бума использования технологии 3D-печати в модной индустрии. Позднее Айрис совместно с бельгийской компанией Materialise был разработан гибкий, прочный и пригодный для стирки материал для 3D-печати — результаты своей работы она представила в 2016 году на Парижской неделе моды.

Летом 2023 года модный дом Balenciaga представил широкой публике свою 52-ю коллекцию от кутюр. Среди прочих моделей, созданных именитым модельером, — посвященное Орлеанской деве платье в стиле средневековых доспехов, напечатанное на 3D-принтере из каучука и покрытое хромом.

Промышленный дизайнер Джошуа Харрис предложил футуристичный проект 3D-станка, позволяющего создавать гардероб на дому, снимая необходимость в постоянной чистке и стирке одежды. Правда, по оценкам автора идеи, ожидать повсеместного внедрения этой технологии стоит не раньше 2050 года.

Музыкальные инструменты

Не отстает и область искусства. Дизайнер Скотт Саммит из США изготовил с помощью 3D-принтера первоклассную акустическую гитару (за исключением струн и грифа, для которых использовались традиционные материалы). Его примеру последовали специалисты из MIT Media Lab, изготовившие с помощью этой технологии флейту. Дальше всех пошла компания ODD Guitars, занимающаяся изготовлением музыкальных инструментов: они создали на 3D-принтере даже саксофон и барабаны, но специализируются все же на гитарах.

Мебель

Разумеется, технология 3D-печати довольно быстро добралась и до производителей мебели и аксессуаров для интерьера. Любое, даже самое необычное дизайнерское решение теперь может быть быстро воплощено в реальность. Кроме мебели, распечатать также можно светильники, кухонную посуду или искусственные растения для декора. Пока что дизайнеры экспериментируют с формами, которые не были доступны им раньше, с использованием дерева или пластика, но можно ожидать, что скоро на 3D-принтере будут печатать даже самые обычные табуретки — это будет и дешевле, и экологичнее, и быстрее.

Панцирь для черепахи

В 2015 году студент Колорадского технического университета Роджер Генри создал протез панциря для черепахи по имени Клеопатра, напечатав его на 3D-принтере («родной» панцирь черепахи был в очень плохом состоянии). На моделирование и прототипирование протеза Роджер потратил около 600 часов, а для создания протеза использовался специальный биоразлагаемый пластик.

С тех пор 3D-технологии в ветеринарии шагнули далеко вперед. Так, специалисты сделали титановый клюв для попугая, чтобы он смог грызть твердые орехи, напечатали искусственный рог для носорога, а также не раз дарили собакам и кошкам новые 3D-лапы.

Двухтысячелетняя булавка

Археологи воссоздали ее с помощью 3D-печати. При изготовлении применялись воск, глина и бронза. Чтобы воссоздать древнее украшение, археологи отсканировали глиняные формы, которые использовались для отливки бронзовых булавок в первом-третьем веках нашей эры. Оригинальные формы были найдены в Кэрнсе, на острове Саут-Роналдсей.

Велосипеды

В этом активном виде спорта в последнее время также широко используются 3D-технологии, ведь благодаря им можно быстро и просто создать легкий и быстрый велосипед, при этом сократив время и затраты на его производство. Как правило, в 3D-печати байков топ-уровня используются композитные материалы, благодаря которым велосипед весит очень мало и, соответственно, едет быстрее. Кроме того, с помощью 3D-сканирования можно напечатать аксессуары: велосипедный шлем, седло или рукоятку.

Здания

С помощью 3D-печати люди научились возводить уже целые дома! Компании Apis Cor в 2017 году удалось напечатать одноэтажный дом площадью 38 м² с нестандартными очертаниями. На возведение стен ушли сутки, и еще несколько дней потребовались для установки перекрытий, кровли, выполнения внутренней и наружной отделки. Компания продолжает заниматься 3D-печатью домов по всему миру.

Помимо строительства дома в один этап, существует также метод 3D-печати зданий путем создания отдельных модулей, которые в дальнейшем объединяются в готовую постройку. Этот метод был использован строительной компанией WinSun из КНР. На их счету уже есть огромный особняк площадью 1100 м²; пятиэтажный многоквартирный дом (считающийся рекордным жилым объектом, созданным с помощью технологии 3D-печати) и еще 10 одноэтажных домов, напечатанных и установленных за одни сутки.

Использование 3D-принтеров в строительстве открывает новые горизонты, поскольку не только значительно сокращает время возведения и затраты на оплату труда (на 50−80%), но и значительно уменьшает объемы строительного мусора.

Автомобили

Стартап Divergent Microfactories из Сан-Франциско решил составить конкуренцию традиционным автомобилестроителям и создал суперкар Blade, напечатанный на 3D-принтере из алюминия. По данным изготовителей, шасси у Blade весит на 90% меньше, чем у традиционных автомобилей, что позволяет новинке развивать скорость порядка 97 км/ч всего за две секунды. Полностью вся машина весит всего 619 килограммов.

Швейцарская компания EDAG создала концепт-кар Light Cocoon («Кокон Света»), который светится изнутри. Журнал Popular Mechanics опубликовал материалы о машине, сконструированной из 20 напечатанных на 3D-принтере деталей. Автомобилю удалось без помех пересечь Америку от восточного до западного побережья. В настоящий момент компания Local Motors (США) налаживает собственное производство подобных машин из ABS-пластика (является суперпрочным) и композита углеволокна.

Американской компании Stratasys удалось напечатать — опять же по частям, с последующей сборкой — прототип городского электрокара с рабочим названием Urbee.

Космические технологии

3D-технологиям есть место и в космосе — и на этот раз речь идет не о еде для астронавтов. NASA отправило 3D-принтер в помощь экипажу космической станции, чтобы облегчить логистику и избавить команду от необходимости дожидаться доставки вещей, которые всегда можно распечатать самим: достаточно лишь загрузить присланные по электронной почте инструкции в программу для моделирования и запустить печать. Впрочем, мелочами в космических разработках не ограничиваются — такие флагманы аэрокосмической отрасли, как SpaceX, Boeing и Airbus уже давно изготавливают на 3D-принтере детали для своих самолетов, шаттлов и космических кораблей.

3D-будущее

Технология трехмерной печати выгодна не только сама по себе за счет создания новых продуктов. За ней стоит серьезная научная работа, объединяющая в себе разработку новых материалов и развитие технологий самой печати, эффективное создание 3D-моделей и анализ их свойств. Внедрение 3D-печати в повседневную жизнь способно изменить все сферы, в которых оно задействовано — от медицины и образования до промышленного производства и освоения космоса.