Что нам стоит все построить! Самые интересные проекты 3D-печати

Вполне возможно, что изобретение 3D-печати войдет в историю как одно из наиболее революционных изобретений в жизни человека. Подумать только — любая вещь, на создание которой раньше уходили дни, недели или даже месяцы, теперь может быть сделана за считаные часы. А когда технические барьеры будут преодолены, человек сможет создавать практически любой предмет — от мебели до электронных устройств. Уже сейчас отдельные энтузиасты и целые исследовательские центры создают с помощью 3D-принтеров самые разные устройства. О наиболее интересных из них пойдет речь ниже.

⇡#3D-печать: удачный старт

Несмотря на то, что 3D-печать лишь в последние годы стала менять нашу жизнь, она была изобретена не год и даже не десять назад. Ее отец — Чак Халл (Charles W. Hull). Сегодня ему более 75 лет, но изобретатель самой первой технологии трехмерной печати — стереолитографии — и не думает уходить на покой. «Я достаточно стар, чтобы уйти на пенсию, но мне так интересно, что я этого делать не буду», — говорит Чак, смеясь. Его имя не очень известно общественности, но вклад Чака в развитие трехмерной печати просто огромен. Имя Чака Халла ставят в один ряд с такими именами, как Томас Эдисон или Стив Джобс. Чаку Халлу принадлежат более 60 патентов в США, а еще он — автор универсального формата трехмерной печати STL.

Более тридцати лет назад Чак в своей лаборатории сумел напечатать первый предмет — маленькую чашку. Он был в таком восторге от своего творения, что, несмотря на поздний час, разбудил свою жену и продемонстрировал ей первый образец 3D-печати. Сонная супруга в пижаме посмотрела на творение мужа и откровенно призналась, что ожидала чего-то лучшего. Но ни Чак, ни тем более его жена не могли себе представить, во что выльется это открытие.

Метод, опробованный ученым, был очень прост. Жидкий фотополимер наполняет некоторую емкость. По поверхности материала перемещается ультрафиолетовый луч, который заставляет материал в нужном месте становиться твердым. Слой за слоем процесс полимеризации образует твердый объект.

Спустя три десятилетия Халл признался в интервью, мол он никак не ожидал, что его изобретение окажет влияние на медицину. А ведь сегодня уже не вызывает сомнения, что быстрое производство роботизированных протезов, очков, вспомогательных средств для людей с ограниченными физическими возможностями, не говоря уже про искусственные органы, — все это означает переворот в медицине и открытие новых подходов к лечению.

⇡#Трехмерная печать и медицина

Производство имплантатов с помощью 3D-печати — одно из самых перспективных направлений в современной хирургии. С периодичностью в день-два появляются новости о том, что с помощью трехмерной печати был выращен тот или иной орган или сделан новый протез.

Будущее, где трехмерная печать присутствует в каждом доме, кажется футуристичным и невероятным. Но еще более странным кажется мир, в котором медицина вышла на новый уровень и использует 3D-печать для того, чтобы вернуть полноценную жизнь людям с физическими недостатками. Более того, некоторые эксперименты, проводимые сегодня учеными, наталкивают на мысль, что трехмерная печать изменит самого человека.

⇡#Апгрейд человека

Бельгийские ученые из университета Хасселт имплантировали восьмидесятитрехлетней женщине челюсть. Она была создана всего за несколько часов, в то время как раньше подобная деталь изготавливалась бы несколько дней. Челюсть была распечатана на 3D-принтере из особого титанового сплава. Теперь где-то в далекой Бельгии счастливая бабулька с титановыми зубами пережевывает окорока прямо с костями и на спор разгрызает грецкие орехи. Шутки шутками, но темпы, которыми врачи приближаются к созданию киберчеловека, просто ошеломляют.

Врачи уже научились создавать искусственные кости и суставы, печатая их на 3D-принтере. И это уже не технологии будущего, сегодня по планете ходят сотни людей, которые могут жить благодаря распечатанным имплантатам. Так, в марте этого года британские врачи вернули к нормальной жизни Стивена Пауэра, у которого был раздроблен череп в результате аварии. Вначале были внимательно исследованы рентгеновские снимки лица, а затем на 3D-принтере были распечатаны искусственные части черепа с учетом всех анатомических особенностей пациента. После сложной операции врачи из Уэльса поставили распечатанные части черепа Стивену, вернув симметрию лица. Глядя на этого человека спустя несколько месяцев после операции, даже не веришь, что он пережил такую страшную аварию.

В это же время в Медицинском центре университета Утрехт была проведена другая уникальная операция: молодой девушке заменили практически весь череп пластиковой распечатанной копией. Это было крайне необходимо, поскольку толщина собственного черепа девушки из-за болезни постоянно увеличивалась, что создавало реальную угрозу жизни. На момент хирургического вмешательства у девушки была потеря зрения и наблюдались сильные головные боли. Операция длилась 23 часа, а результат превзошел все ожидания. Спустя всего несколько месяцев девушка уже пошла на работу и чувствует себя намного лучше, чем до операции. К ней вернулось зрение, и ничто не напоминает о том, что ее жизнь висела на волоске.

Но и это не так впечатляет, как прототипы бионических имплантатов, которые постоянно демонстрируют биологи. Например, доцент кафедры механической и аэрокосмической инженерии в Принстоне МакЭлпайн в прошлом году показал распечатанное искусственное ухо, которое позволяет слышать радиоволны.

Готовое ухо состоит из спиральной антенны внутри хрящевой структуры. Два провода ведут от основания уха и заворачиваются вокруг спиральной «улитки» — той части уха, которая позволяет человеку воспринимать звук. Если ее подключить к электродам, в теории можно не только восстановить слух, но и сделать его острее, а также расширить воспринимаемый диапазон частот.

⇡#Как распечатать дом

Как только стало очевидным, что за трехмерными принтерами будущее, архитекторы наперебой бросились разрабатывать макеты зданий, которые можно было бы сложить из распечатанных блоков. Эта задача на первый взгляд казалась не такой и сложной. Создание дома из напечатанных частей — процедура такая же простая, как и складывание конструктора LEGO. Так думали строители-печатники будущих домов. Например, в 2013 году архитектор по имени Дженджаап Риджссенэарс (Janjaap Ruijssenaars) из компании Universe Architecture уверенно утверждал, что сможет продемонстрировать первое в мире здание, распечатанное на принтере, уже в 2014 году. Но спустя всего несколько месяцев после первых сенсационных заявлений в СМИ, сроки назывались гораздо более дальние. По мнению архитектора, на воздвижение такого амбициозного творения уже нужно было никак не меньше полутора лет.

И, как всегда, в гонку за право называться первыми втянулся Китай. Пока американские и европейские строители красочно описывали свои проекты и предвкушали рекламную шумиху, которая должна была бы сопровождать открытие таких проектов, китайские предприимчивые бизнесмены оказались на шаг впереди.

Малоизвестная китайская фирма Winsun New Materials из округа Сучжоу (провинция Цзянсу) разработала новый подход к возведению простых одноэтажных строений. С помощью огромного 3D-принтера китайские строители обещают неслыханную скорость возведения домов — до десяти построек за 24 часа! Чтобы спроектировать такой сверхполезный инструмент для строительства, китайские бизнесмены вложили 3,2 млн долларов. Сам же принтер для строительства домов разрабатывался инженерами целых 12 лет.

Не менее интересен и материал, который используется при строительстве новых домов. Компания Winsun New Materials использует невостребованный строительный мусор, благодаря чему дома выходят экологически чистые и невероятно дешевые — всего $ 4 800 за постройку. Китай подкупил всех дешевизной, доказав, что трехмерная печать в современном строительстве — это уже не дорогостоящее баловство и экзотика.

Единственная деталь, которую китайцы пока не научились печатать на принтере, — крыша. Строители объясняют, что на данном этапе воздвигнуть эту часть здания по техническим причинам невозможно.

Любопытно, что китайская строительная фирма могла бы реализовать намного больше крупных проектов, если бы не бюрократические проволочки. В одном из интервью представители Winsun New Materials сетуют на то, что возведение зданий посредством данной технологии требует соответствующих нормативных актов, утверждать которые чиновники просто не успевают.

⇡#3D-печать через Интернет

Развитие технологий трехмерной печати стимулирует появление стартапов, которые так или иначе имеют отношение к 3D-печати. Все эти решения лежат на поверхности, и ловкие дельцы не упускают шанс заработать. Трехмерные принтеры пока еще не стали столь же привычной периферией, как струйные или лазерные. Поэтому веб-сервисы для печати 3D-объектов посредством онлайновых заказов могут приносить достаточно большой доход их владельцам.

Один из самых успешных проектов в этой области — сервис Shapeways, который дает возможность не только удаленно заказывать печать своих макетов, но и пользоваться рядом дополнительных услуг, например использовать особые типы покрытий для напечатанных изделий, организовать продажу своих макетов и пр.

⇡#Bumpy Photo: превращение фотографий в барельеф

Помимо сервисов наподобие Shapeways, в Сети уже доступны и другие проекты, связанные с трехмерной печатью. Пример такого «своевременного» сервиса — проект Bumpy Photo.

Одновременно с ростом популярности трехмерной печати пользователи стали проявлять все больше интереса, если так можно сказать, ко всему трехмерному. Кто-то открыл для себя целый мир трехмерной графики и теперь с помощью трехмерного редактора занимается разработкой и визуализацией своих идей, распечатывая прототип на принтере. Другие пользователи стали искать более простые способы создания 3D, чтобы затем опять-таки распечатать свои идеи, реализовав их в виде макетов. Как раз на эту категорию людей и сделал ставку сервис Bumpy Photo.

Когда человек смотрит на фотографию, он подсознательно определяет объем предметов на снимке, видит глубину сцены в кадре. Специалисты Bumpy Photo придумали способ, с помощью которого можно определять выпуклость объектов на плоском снимке. С помощью специального алгоритма выбранное изображение анализируется, и для него составляется так называемая карта рельефа, определяющая близкие и дальние точки на картинке. Если эти точки сместить на изображении, обычная фотография получит псевдостереоскопический эффект.

Создатели сервиса справедливо предположили, что найдется немало желающих получить такой распечатанный барельеф. Портреты родных, а также фотографии любимых животных могут обрести вторую жизнь и стать чуточку реалистичнее, если превратить их в 3D-поверхность. Иллюзия еще больше станет заметной, если правильно разместить источник света возле такой трехмерной фотографии.

⇡#Minockio: распечатай себя

Человек любит себя разглядывать со стороны — на фотографии, видео, в зеркале. Быть может, именно поэтому среди сервисов трехмерной печати так много проектов, позволяющих распечатать самого себя. Один из таких сервисов называется Minockio. С помощью простого онлайнового конструктора можно разработать дизайн мультяшного героя, который будет походить на определенного человека. Затем созданный дизайн отправляется на печать и на выходе получается четырехдюймовая статуэтка со знакомыми чертами, которая смешно покачивает головой.

⇡#Shapify.me: атака клонов

Веб-сервис Shapify.me похож на предыдущий, но создает уже не мультяшную, а вполне реалистичную трехмерную копию человека. Процесс создания трехмерной модели предельно прост и эффективен. Для того чтобы получить 3D-модель, необходимо использовать устройство Microsoft Kinect совместно с игровой приставкой Xbox 360 или с компьютером под управлением Windows. С помощью камеры система сканирует человека под разными углами. На основании сделанных снимков формируется трехмерная модель, которая может быть отправлена на печать. При этом не нужно владеть навыками трехмерного моделирования и знать особенности работы трехмерных редакторов. Все просто и быстро, а готовый результат, маленькую фигурку, можно отослать кому-нибудь в подарок или поставить себе на стол и радоваться.

⇡#Как распечатать звук

Акустические системы порой имеют совершенно удивительный вид — они могут выглядеть как пара параллелепипедов, могут иметь форму рупора или напоминать морские раковины. Но геометрия акустических систем — это не только результат фантазии дизайнера. Для того чтобы это устройство подарило слушателю естественный звук, конструктору необходимо следовать законам физики, экспериментируя с формой и материалами. По большому счету, это целая наука, в которой много интересных решений и необычных подходов. И в данном вопросе 3D-печать ускоряет темп творческого поиска.

⇡#Динамик, распечатанный на 3D-принтере

Сердце любой акустической системы — динамики. Как бы ни старались инженеры улучшить звучание акустики, но есть предел, который определен техническими характеристиками этих деталей. Впрочем, возможно, 3D-печать сможет помочь в будущем эти характеристики улучшить. В прошлом году было несколько попыток создать динамик, используя технологии трехмерной печати. Первым подобный эксперимент осуществил новозеландский дизайнер Саймон Эллисон (Simon Ellison).

Он сумел создать конструкцию динамика, которая на 90 процентов состоит из пластика. Единственный элемент, который пришлось оставить, — магнит с обмоткой. Колонка со стеклянным куполом и распечатанным динамиком, которую в конечном итоге продемонстрировал Саймон, выглядит потрясающе, ничуть не хуже дорогих систем от именитых фирм.

Для максимально качественного звука дизайнер использовал комбинацию разных материалов. На печать компонентов ушло девять часов, и еще несколько часов было потрачено дизайнером на сборку изделия. Насколько хорошо звучит акустическая система, сказать трудно, но выглядит эффектно.

Вслед за Саймоном аналогичный эксперимент провели специалисты Корнельского университета Апурва Киран (Apoorva Kiran) и Роберт Маккерди (Robert MacCurdy). Правда, их громкоговоритель имел довольно посредственное звучание и выглядел намного скромнее устройства Саймона.

Пожалуй, самый необычный проект для производства акустики с помощью 3D-печати предложила группа исследователей Disney Research. Обычные громкоговорители состоят из двух обязательных частей — магнита и обмотки. При взаимодействии этих элементов возникает вибрация, которая передается на мембрану, что и рождает звук. Новая технология, предложенная специалистами, основывается на электростатической конструкции динамика. В этом случае звук образуется мембраной, которая зажата между двумя токопроводящими поверхностями. Когда на эти токопроводящие поверхности подается сигнал, воздух между ними обретает заряд, и происходит деформация мембраны, то есть генерируется звук. Принимая во внимание то, что 3D-принтеры все чаще оперируют несколькими материалами и уже есть отдельные устройства, позволяющие печатать токопроводящим материалом, создать такие акустические системы в скором времени будет проще простого. Данная технология открывает новые возможности для дизайнеров акустики, ведь колонки смогут иметь любую форму.

⇡#Музыка, которую распечатали

Может показаться странным, но и сам звук тоже можно «отправить на печать». Для этого нужно всего ничего — отдать технику в руки художника. Эти люди и мыслят нестандартно, и инструментом пользуются по-своему. Так, например, шведский художник Rickard Dahlstrand научился материализовывать звук. Он взял принтер для 3D-печати и прислушался к его звучанию. Как и любая другая техника, данное устройство издает характерный звук в процессе работы. Тональность и тембр звука зависят от позиционирования печатающей головки. Rickard Dahlstrand попробовал напечатать музыку, заставляя головку перемещаться в нужном направлении. Получилась такая себе «каляка-маляка», посмотреть на которую люди выстраиваются в очередь.

Так, на выставке Music Hack Day 2013, которая проходила в Стокгольме, Рикард организовал целую галерею распечатанных музыкальных произведений — от увертюры к «Вильгельму Теллю» Россини до Пятой симфонии Бетховена и шедевров Моцарта. И, конечно, не обошел вниманием имперский марш из «Звездных войн».

Пример видео