Введение
В последние несколько десятилетий компьютерные технологии стали неотъемлемой частью жизни человека, что вполне справедливо, поскольку компьютеры предоставляют возможность упростить работу человека, сделав ее максимально продуктивной. Но, несмотря на это, грань между миром реальным и миром виртуальным осталась, поскольку не так-то просто перенести трехмерную модель с монитора компьютера в реальный объект.

И в этом на помощь человеку пришел 3D принтер, способный не только сделать виртуальный объект реальным, но и полностью изменить производство готовой продукции.

В 70-х годах прошлого века произошла «информационно-компьютерная революция», которая стала одной из главных составляющих научно-технической революции в целом. В результате этой революции, компьютеры обрели широкую популярность и стали использовать повсеместно. Таким образом, можно утверждать, что в ближайшие годы произойдет «трехмерная революция», в результате которой на большинстве заводов появятся 3D принтеры, значительно увеличивающие объемы изготовления продукции, а «домашние» трехмерные принтеры уже не будут диковинкой, которая поражает воображение.

Так чего нам стоит ждать от 3D принтеров и на что вообще способна трехмерная печать? В этом нам и предстоит разобраться.

Глава 1. Полимеры. Строение и производство
Для начала, стоит поставить вопрос, чем же являются полимеры и почему именно в основном используются в трехмерной печати.

Во-первых, полимеры являются современным материалом, который используется для изготовления огромного количества различных предметов, использующихся в повседневной жизни человека. Во-вторых, если рассматривать полимеры с точки зрения химии, то они являются синтезированным синтетическим веществом с заданными свойствами, что позволяет использовать их в различных специализациях.

Главное, что отличает полимеры от других веществ, является размер их молекул, которые за счет этого называются макромолекулами. Каждая из молекул состоит из цепочки мономерных звеньев, которые связаны между собой. Чем больше подобных звеньев в молекуле, тем больший молекулярный вес она имеет. А чем больше молекулярный вес, тем выше степень полимеризации.

За счет этого, полимеры обладают выдающимися механическими свойствами, которые делают их наиболее подходящими для трехмерной печати на 3D принтере.

Главное, что следует запомнить, так это то, что молекулярная масса полимера имеет определяющее значение в выборе расходного материала для 3D принтера, поскольку именно от нее зависят такие свойства как текучесть, прочность и устойчивость к механическим воздействиям.

1.1. Полимеры как органические соединения
За счет огромного количества различных видов полимеров возникла необходимость в их классификации. В настоящее время существует множество различных классификаций, подразумевающих разделение полимеров не только по химической природе, но и по термостойкости или строению цепи. Но в основном полмеры принято разделять по их происхождению и по химической классификации.

Более наглядно классификацию полимеров можно рассмотреть в приведенных ниже таблицах:

Химическая классификация является основной классификацией полимеров. Обусловлено это тем, что именно благодаря ей можно определить какой вид полимеров требуется для изготовления того или иного изделия. Также, стоит заметить, что органические полимеры можно классифицировать дополнительно на такие группы как термопластичные и термореактивные полимеры. Каждая группа полимеров обладает особенной реакцией при нагревании.

Таким образом, термопластичные полимеры при нагревании размягчаются и плавятся, а при охлаждении застывают, что позволяет использовать их в качестве композитного материала, а термореактивные полимеры разрушаются, исключая их применение полностью.

Помимо всего прочего, полимеры (не только органические) имеют всего два агрегатных состояния – амфорное и кристаллическое. В амфорном состоянии, полимерный материал может существовать как вязко текучей жидкостью, так и высокоэластичным соединением. В кристаллическом состоянии полимеры обладают большей прочностью, но либо малой текучестью, либо полным ее отсутствием.

1.2. Разнообразие мира полимеров
В настоящее время существует большое количество различных полимеров, наделенных разнообразными свойствами. Именно за счет такого разнообразия, невозможно перечислить все материалы, но стоит упомянуть некоторые из них, наиболее распространенные, которые также являются основными классами.

За счет физических и химических свойств, обретаемых пластиком в результате добавки различных веществ при его производстве, определяется область, в которой он будет применяться. Обусловлено это тем, что полимеры используются повсеместно, но для различных областей нужны различные материалы.

Таким образом, в строительной сфере применяют в основном полистирол, а в машиностроении полиамид и политетрафторэтилен, в зависимости от случая.

1.3. Основы производства с использованием полимеров
Продукция из полимеров производится, как правило, на заводах нефтехимической промышленности и специализированных заводах по производству полимерных материалов и готовой продукции из них.

Первой стадией необходимо получить полимерные гранулы для дальнейшего их окрашивания и производства из них предметов. Эти самые гранулы получают на заводах нефтехимической промышленности из нефти, угля и природного газа. Полимеры получаются из простейших углеводородов в процессе полимеризации или поликонденсации, конечным продуктом которых являются различные виды полиэтилена. При помощи различных добавок они могут обретать различные свойства, которые определяют их дальнейшее предназначение.

После производства нефтехимического завода гранулы полимеров отправляются для дальнейшего производства на заводы по производству полимерных пластмасс, где из них отливают готовый продукт.

Существует 4 основных вида литья:

Литье под давлением;

Литье с применением газом;

Литье с применением водяного пара;

Многокомпонентное литье.

К наиболее распространенному способу производства того же пластика относится литье под давлением. В качестве сырья применяются полимерные гранулы, подвергаемые плавлению, после чего вязкая масса, передвигаясь по трубе, разливается в специализированные формы для литья.

За весь процесс отвечает один аппарат, осуществляющий измельчение полимерных гранул, их нагрев, а после чего по литниковой системе отводит материал в формы для литья.

Вывод
Таким образом, мы, так или иначе, приходим к выводу, что полимеры очень плотно вошли в нашу повседневную жизнь. Именно из них делаются различные предметы, встречающиеся в нашей повседневной жизни.

Пластмассы стали неотъемлемой частью производства, поскольку дают возможность изготавливать плотный и качественный материал с низкой стоимостью. К тому же, различные добавки могут изменять свойства пластмасс, делая их более подходящими для той или иной сферы деятельности. 

К тому же, процесс изготовления этих самых пластмасс является несложным и относительно дешевым. Пожалуй, именно дешевизна данного материала является причиной его популярности в 21 веке.

Глава 2. Понятие о 3D печати
В начале XXI века понятие «3D» стало использоваться все чаще. Изначально, данный термин стойко ассоциировался с киноиндустрией и мультипликацией. Вскоре, появилось понятие 3D печати, которая подразумевает существование 3D принтеров.

Данные устройства, в отличие от стандартных принтеров, воспроизводят не изображение или текст на плоскости, а трехмерную модель объекта, которой соответствует заранее подготовленная виртуальная модель.

2.1. История возникновения
Несмотря на то, что 3D принтеры обрели популярность в последнее десятилетие, история их возникновения начинается с 1984 года, когда американец по имени Чарльз Халл, который изобрел принцип 3D печати, а после использовал его в установке для стереолитографии (производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол).

Спустя пару лет, в 1986 году, Халл получил патент на свое изобретение. В этот же год он основал собственную компанию, получившую название «3D System». В 1987 году уже была представлена первая модель 3D принтера, которая именовалась «установкой для стереолитографии». 

В 1988 году 3D печать уже стала весьма популярной технологией, поэтому стали появляться новые технологии производства, такие как метод селективного лазерного спекания (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM). Последний метод является разработкой Скотта Крампа.

В 1989 году им была основана компания «Stratasys» и выпущен первый станок «3D Modeler», поступивший в продажу в 1992 году.

В этом же году в свет выходит станок, выпущенный компанией DTM и работающий по принципу селективного лазерного спекания (SLS).

В 1993 году Массачусетским технологическим институтом запатентована технология трехмерной печати, принцип работы которой базируется на струйной печати 2D принтера. В 1995 году данный патент был получен компанией ZCorporation. В 2005 году данная компания выпустила на рынок новейшую модель 3D принтера с высоким разрешением цветов. Новинка получила название «Spectrum Z510».

В 2006 году появился еще один 3D принтер, сделавший огромный прорыв в области трехмерной печати. Им стал проект Эдриана Боуэрома, получивший название RepRap. Таким образом, появился принтер, способный воспроизводить детали собственной конструкции. Первая модель RepRap, выпущенная в 2008 году уже умела воспроизводить около 50% своих собственных деталей.

2.2. Области применения
В наши дни 3D печать развивается с каждым днем. Если раньше при помощи трехмерных принтеров можно было печатать лишь несложные детали и механизмы, то уже сейчас 3D принтеры используются как на производстве, так и в таких сферах, как строительство и микробиология.

Также стоит отметить, что трехмерная печать обрела применение и в различных бытовых сферах. К тому же, дешевые 3D принтеры и 3D ручки могут являться развлечением, как для ребенка, так и для взрослого человека.

Рассмотрим более подробно некоторые из вышеупомянутых сфер применения.

2.2.1. Строительство и архитектура
Таким образом, в сфере строительства уже пытаются использовать трехмерную печать. В качестве материала используется бетонная смесь, которая формирует здание слой за слоем. Благодаря использованию 3D печати, сроки строительства зданий и сооружений значительно сокращаются.

В то время, как в США строительство зданий при помощи 3D принтеров находится на стадии тестирования, Китай уже занимается печатью жилых домов. В качестве материала использовался цемент и строительный мусор, данная смесь также была усилена стекловолокном. В основе «постройки» такого здания лежит технология печати методом наплавления (FDM).

2.2.2. Авиация и космос
3D принтеры также стали применяться в авиационном и космическом строении. Такие авиастроительные компании как Boeing и Lockheed Martin уже используют трехмерную печать для производства не только систем вентиляций и прочих несложных элементов, но и несущих компонентов, а также деталей реактивных двигателей.

В космической промышленности также производятся различные детали летательных аппаратов. NASA уже испытала титановые форсунки ракетных двигателей, напечатанные на 3D принтере.

На одной из берлинских выставок авиакомпания Airbus продемонстрировала первый самолет, все детали которого выполнены на 3D принтере. Название он получил «Thor». Его вес составляет 21 килограмм, а длина – 4 метра. Состоит он из 50 деталей. Также проводилось тестирование с целью понять, сможет ли данная конструкция взлететь. Во время тестирования Thor успешно пролетел 25 миль.

2.2.3. Медицина
Применение 3D принтеров в медицине является, пожалуй, наиболее важным достижением. Обусловлено это тем, что благодаря трехмерной печати, стало возможным изготавливать не только дешевые протезы, которые, как правило, производятся из ABS-пластика, но и печатать различные сосуды, ткани и человеческие органы. 

Таким образом, уже имеются известные случаи печати экзоскелета, искусственной челюсти, работоспособного сердца, тазобедренного сустава, кровеносных сосудов и многих других составляющих человеческого организма.

К наиболее потрясающей разработке, выполненной посредством трехмерной печати, мне хотелось бы отнести синтетический «рукав» для трахеи. Данная разработка была выполнена в 2012 году и предназначалась для шестинедельного мальчика с разрывов левой бронхиальной трубки.

Биоинженер Скот Холлистер из Мичиганского университета сделал трубку для трахеи при помощи 3D принтера и данных томографии мальчика. В качестве материала был применен поликапролактон, совместимый с тканями человека. Данная трубка растет вместе с организмом, куда она вживляется, а спустя некоторое время рассасывается, подобно хирургическим нитям.

Что касается хрящевых и костных тканей, существует специализированная 3D ручка, получившая название «биоручка», которая наносит живые клетки на поврежденные при переломах кости, способствуя быстрой регенерации.

2.2.4. Кулинария
Пищевые 3D принтеры в последнее время стали приобретать широкую популярность среди различных ресторанов и кафе. Вернее, сами заведения стали обретать популярность благодаря данным принтерам. Ведь как можно пройти мимо кафе, которое печатает печенье при помощи такого принтера?

Таким образом, существуют принтеры для печати не только сахарных кубиков затейливых форм, но и для печати тортов различной сложности или же пиццы. 

Широко популярным стало кафе «Грюн-Ор» в Берлине, где 3D принтер печатает мармелад различных форм, цветов и вкусов. Печать одной мармеладки занимает около 10 минут. И поражает, пожалуй, не столько вкус изделия, сколько сам факт метода изготовления.

2.2.5. Оружие
Несмотря на то, что 3D принтер предназначен для облегчения производства различных элементов, он также может быть использован для производства устройств, несущих гибель, а именно пистолетов, винтовок и прочих видов оружия. 

Именно этот аспект озадачил правоохранительные органы многих стран, поскольку напечатанное на трехмерном принтере оружие может не иметь регистрационных номеров, а значит, на него не нужна лицензия. Таким образом, исключается возможность не только установить убийцу уже совершенного преступления, но и вычислить потенциального.

Некоммерческая организация Defence Distributed всячески продвигает общедоступность 3D оружия. Таким образом, в мае 2016 года, в сети интернет появилось видео, где глава компании, Коди Уилсон, тестирует пистолет «Liberator», полностью напечатанный на 3D принтере.

2.3. Перспективы развития 3D печати
Учитывая тот факт, что в последние годы 3D печать стала находить применение в различных сферах, можно с уверенностью заявить, что трехмерная печать будет актуальна не только в ближайшие годы, но и спустя 10-20 лет. Обусловлено это также и спросом на продукцию, изготовленную при помощи 3D принтера. В данном случае вполне справедливо упомянуть экономический закон спроса и предложения, некогда сформулированный Альфредом Маршаллом.

Таким образом, 3D печать обречена на долгие годы существования, как методика наиболее продуктивного производства.

Вывод
Теперь, когда мы знаем, что 3D технологии берут свое начало с 1984 года, и видим, как быстро они развиваются, с каждым годом даруя все более новые и совершенные возможности, можно сделать вывод, что за трехмерной печатью стоит будущее большого количества различных отраслей.

С одной стороны, развитие трехмерных технологий несет в себе несомненные плюсы, поскольку производство каких-либо деталей станет более совершенным и быстрым, качество также возрастет, а стоимость готового продукта станет значительно ниже. 

В то же время, повсеместное использование 3D принтеров вызовет рост безработицы, обусловленный заменой труда рабочих на 3D печать. Впрочем, любое индустриальное развитие всегда вызывало безработицу, что уже доказано многими историческими примерами.

Так что, нельзя сказать однозначно, вред или пользу принесут 3D принтеры, поскольку известно это станет только в дальнейшем, когда трехмерная печать плотно войдет в нашу повседневную жизнь.

Глава 3. Полимеры в 3D печати
В большинстве случаев для печати на типовых 3D принтерах применяются различные пластики, которые и являются полимерами. В данном случае речь не идет о крупных производственных 3D принтерах, в которых используются такие материалы как цемент или металл. 

Таким образом, полимерные 3D принтеры являются одной из категорий трехмерных принтеров.

В настоящее время основным спросом для 3D печати пользуются такие виды пластика как ABS, PLA и SBS, со свойствами и особенностями которых мы сейчас и познакомимся более подробно.

3.1. ABS-пластик
ABS пластик (акрилонитрилбутадиенстирол) является, пожалуй, наиболее популярным, что обусловлено его механическими и физическими свойствами.

Данный материал весьма ударопрочен, благодаря чему его можно использовать в различных сферах производства, начиная от сувенирной продукции и заканчивая автомобильной индустрией. К тому же, ABS пластик имеет низкую стоимость и легок в применении. Как правило, именно данный материал применяется при печати методом послойного наплавления (Fused deposition modeling (FDM)).

ABS пластик обладает рядом положительных свойств:

Влагостойкостью и кислотостойкостью;

Высокой теплоемкостью (?115°C);

Отсутствием токсичности при низких температурах;

Ударопрочностью;

Высокой эластичностью;

Долговечностью при отсутствии прямых солнечных лучей;

Ценовой доступностью.

И это только основные плюсы данного материала. Но, несмотря на такое обилие положительных сторон ABS пластика, есть и минусы. Из-за потенциальной токсичности, материал ограничен на производстве детских игрушек, посуды и медицинских инструментов.

Впрочем, несмотря на это, самый популярный детский конструктор «LEGO» изготавливается из ABS пластика. Пожалуй, строительные блоки «LEGO» лучше всего демонстрируют обилие цветовой гаммы ABS пластика.

3.2. PLA-пластик
PLA пластик (полилактид), в отличие от ABS, является биоразлагаемым и биосовместимым. Производится данный материал из кукурузы или сахарного тростника. Благодаря экологичности данного материала, его можно использовать без риска для здоровья человека.

Основные плюсы PLA пластика:

Нетоксичен;

Низкая температура плавления;

Высокая детализированность изделий при печати;

Широкая цветовая палитра;

Нет необходимости в нагревании печатной платформы.

Работа с данным материалом, как и в случае с ABS пластиком, выполняется методом послойного наплавления. После печати готовый объект шлифуется и красится акрилом.

К сожалению, PLA пластик является хрупким, что исключает долговечное использование деталей, выполненных из него. Таким образом, данный материал подходит разве что для применения в 3D ручках, изделия, сделанные при помощи которой, носят не столько практический, сколько развлекательный характер.

3.3. SBS-пластик
SBS пластик (Стиролбутадиен–стирол) более известен под названиями Watson и Filamentarno по названиям фирм-производителей данного материала.

Данный материал отлично подходит для печати крупных изделий, не боится открытого воздуха и даже имеет сертификат на допуск к контакту с пищевыми изделиями, что обусловлено безопасностью исходного сырья. Таким образом, материал подходит для изготовления, как детских игрушек, так и медицинских инструментов.

При обработке данного пластика применяется сольвент или лимонен, при воздействии которого пластик становится похож на стекло.

Сам пластик является прозрачным, но присутствует возможность окрасить его, что позволяет получить интересные цветовые вариации.

3.4. PET-пластик
PET пластик (полиэтилентерефталат) знаком человечеству как минимум благодаря пластиковым бутылкам, пищевым контейнерам и прочим емкостям для хранения пищевой продукции. Обусловлено это тем, что он является устойчивым к растворителям, кислотам, слабым щелочам, устойчив к высоким температурам и является долговечным.

Его применяют не только в пищевой промышленности, но и на производстве фотопленки, магнитных лент и даже использовали на производстве компьютерных дискет.

PET пластик является самым доступным материалом для 3D печати. К тому же, нить для него можно изготовить самостоятельно, имея перерабатывающую установку для пластика. Кстати, данный вид пластика поддается переработке.

В настоящее время PET пластик не имеет возможности быть окрашенным, но в продаже встречается в пяти цветовых вариантах – прозрачный, черный, синий, красный и зеленый.

3.5. PVA-пластик
PVA пластик (поливиниловый спирт) является уникальным в 3D печати, поскольку значительно расширяет возможности принтеров, имеющих двойной экструдер. Обусловлено это тем, что он растворим в воде и используется в качестве опорного материала.

Таким образом, главная его функция – обеспечение поддержки последующим слоям. После завершения печати, готовое изделие просушивается, после чего помещается в емкость с водой, где PVA пластик растворяется.

Правда, стоит заметить, что стоимость данного материала велика, по сравнению с остальными пластиками, но при подходе расход материала относительно невелик. 

К существенному недостатку пластика можно отнести то, что он не позволяет печатать «по воздуху», т.е., для его использование, потребуется напечатать предварительно слой, на котором в дальнейшем уже будет печататься слои из PVA пластика. Обусловлено это тем, что материалу в любом случае необходимо с чем-либо соприкасаться.

Наиболее наглядным примером использования PVA пластика можно назвать печать Гильбертова куба.

Заключение
В самом начале работы мы поставили перед собой цель понять, чего нам стоит ожидать от 3D печати в будущем, а также разобраться, что она собой представляет в наши дни. 

В первую очередь, следует понимать, что трехмерные технологии продолжают развиваться с каждым днем, а значит, в дальнейшем нас ждут все более и более совершенным модели, способные использовать в печати не только самые различные материалы, но и изготавливать изделия в наибольших объемах. Отсюда следует то, что, вполне вероятно, не за горами тот день, когда 3D принтеры будут присутствовать на большей части производственных учреждений, что скажется на мировом рынке в целом.

К тому же, стоит отметить, что благодаря этому, специальность «Аддитивные технологии» будет становиться актуальнее с каждым годом, что будет обусловлено увеличением вакантных мест на должность управляющего столь сложной аппаратурой. А если учитывать, что 3D печать способна затронуть практически все сферы производства, то, возможно, что оператор 3D принтера станет также востребован, как врачи или инженеры.

Что же касается развития трехмерных технологий в наше время, то уже сейчас существуют 3D принтеры для печати частей самолетов, печати домов, одежды, продуктов. Также существуют принтеры для частного использования (большинство которых печатает при помощи полимерного композитного материала), позволяющие любому обывателю познакомиться с новейшей технологией.

Так будут ли актуальны полимерные материалы для 3D принтеров в дальнейшем? Пожалуй, на этот вопрос нельзя ответить однозначно, поскольку трехмерные технологии развиваются и в дальнейшем, скорее всего, появится огромное количество других материалов, а полимерная печать отойдет на второй план, уступив место более долговечным и совершенным материалам.