3D-печать, в производстве — один из нескольких процессов изготовления трехмерных объектов путем последовательного наложения двухмерных поперечных сечений одно на другое. Процесс аналогичен нанесению чернил или тонера на бумагу в принтере (отсюда и термин «печать»), но на самом деле представляет собой застывание или связывание жидкости или порошка в каждой точке горизонтального сечения, где требуется твердый материал. В случае 3D-печати наслоение повторяется сотни или тысячи раз, пока весь объект не будет готов по всему вертикальному измерению. Часто 3D-печать используется для быстрого создания пластиковых или металлических прототипов при проектировании новых деталей, но может применяться и для изготовления готовых изделий для продажи клиентам. Объекты, изготовленные с помощью 3D-печати, варьируются от пластиковых фигурок и шаблонов пресс-форм до стальных деталей машин и титановых хирургических имплантатов. Весь аппарат для 3D-печати может быть заключен в шкаф размером примерно с большую кухонную плиту или холодильник.
Термин 3D-печать первоначально обозначал конкретный процесс, запатентованный как 3DP учеными Массачусетского технологического института (MIT) в 1993 году и лицензированный несколькими производителями. Сегодня этот термин используется как общее обозначение для целого ряда смежных процессов. Центральное место во всех них занимает автоматизированное проектирование, или САПР. Используя программы CAD, инженеры разрабатывают трехмерную компьютерную модель объекта, который необходимо создать. Эта модель преобразуется в серию двухмерных «срезов» объекта, а затем в инструкции, которые указывают принтеру, где именно затвердевать исходный материал на каждом последующем срезе.
В большинстве процессов исходным материалом является тонкий пластиковый или металлический порошок. Как правило, порошок хранится в картриджах или стаканах, из которых он дозируется в небольших количествах и распределяется валиком или лезвием очень тонким слоем (обычно толщиной только с зерно порошка, которое может достигать 20 микрометров, или 0,0008 дюйма) по станине, на которой создается деталь. В 3DP-процессе MIT этот слой проходит через устройство, похожее на головку струйного принтера. Массив сопел распыляет связующее вещество по схеме, определенной компьютерной программой, затем на всю площадь наращивания наносится новый слой порошка, и процесс повторяется. При каждом повторении слой наращивания опускается точно на толщину нового слоя порошка. По окончании процесса деталь, находящаяся в неконсолидированном порошке, извлекается, очищается и иногда проходит несколько этапов финишной обработки.
Изначально в процессе 3DP изготавливались в основном грубые макеты из пластика, керамики и даже гипса, но в более поздних вариантах использовался и металлический порошок, и получались более точные и прочные детали. Схожий процесс называется селективным лазерным спеканием (SLS); здесь головка сопла и жидкое связующее заменяются точно направленными лазерами, которые нагревают порошок так, что он спекается или частично плавится и сплавляется в нужных областях. Как правило, SLS работает либо с пластиковым порошком, либо с комбинированным порошком металла и связующего; в последнем случае созданный объект может быть нагрет в печи для дальнейшего затвердевания, а затем обработан и отполирован. Эти этапы последующей обработки могут быть сведены к минимуму при прямом лазерном спекании металлов (DMLS), когда мощный лазер сплавляет мелкий металлический порошок в более твердую и готовую деталь без использования связующего материала. Еще одна разновидность — электронно-лучевое плавление (EBM); здесь лазерный аппарат заменяется электронной пушкой, которая фокусирует мощный электрически заряженный луч на порошок в условиях вакуума. Самые передовые процессы DMLS и EBM позволяют изготавливать конечные изделия из современных сталей, титана и кобальто-хромовых сплавов.
Многие другие процессы 3DP, SLS, DMLS и EBM работают по принципу наращивания. В некоторых из них используются сопла, направляющие исходный материал (порошок или жидкость) только в специально отведенные зоны наращивания, так что объект не погружается в слой материала. С другой стороны, в процессе, известном как стереолитография (SLA), тонкий слой полимерной жидкости, а не порошка, распределяется по области построения, а обозначенные области детали закрепляются ультрафиолетовым лазерным лучом. Собранная пластиковая деталь извлекается и подвергается последующей обработке.
Все процессы 3D-печати относятся к так называемому аддитивному производству (или аддитивному изготовлению) — процессам, в которых объекты создаются последовательно, в отличие от литья или формовки за один этап (консолидационный процесс) или резки и обработки из цельного блока (субтрактивный процесс). Считается, что они имеют ряд преимуществ перед традиционным производством, главными из которых являются отсутствие дорогостоящей оснастки, используемой в литейном и фрезерном производстве, возможность изготавливать сложные детали по индивидуальным заказам в кратчайшие сроки, а также образование меньшего количества отходов. С другой стороны, у них есть и ряд недостатков: низкая производительность, меньшая точность и полировка поверхности по сравнению с механической обработкой, относительно ограниченный спектр обрабатываемых материалов и жесткие ограничения на размер деталей, которые можно изготовить недорого и без искажений. По этой причине основной сферой применения 3D-печати является так называемое быстрое прототипирование, то есть быстрое изготовление деталей, которые впоследствии будут массово производиться в традиционных производственных процессах. Тем не менее, коммерческие 3D-принтеры продолжают совершенствовать свои процессы и выходить на рынки конечной продукции, а исследователи продолжают экспериментировать с 3D-печатью, создавая такие разные объекты, как автомобильные кузова, бетонные блоки и съедобные продукты.
Термин «3D-биопринтинг» используется для описания применения концепций 3D-печати для производства биологических объектов, таких как ткани и органы. Биопринтинг в значительной степени основан на существующих технологиях печати, таких как струйная или лазерная печать, но использует «биочернила» (суспензии живых клеток и среды для роста клеток), которые могут быть приготовлены в микропипетках или аналогичных инструментах, служащих картриджами для принтера. Затем печатью управляет компьютер, и клетки наносятся определенным образом на культуральные пластины или аналогичные стерильные поверхности. Печать на основе клапанов, которая позволяет точно контролировать процесс осаждения клеток и лучше сохранять их жизнеспособность, была использована для печати эмбриональных стволовых клеток человека по заранее запрограммированным шаблонам, которые способствуют объединению клеток в сфероидные структуры. Такие модели человеческих тканей, созданные с помощью 3D-биопечати, особенно полезны в области регенеративной медицины.
