Неожиданные применения 3D-печати

В последнее время всё больше и больше распространяются фотополимерные принтеры, делая реальным то, что вчера ещё было в области фантастики.

В связи с этим посмотрим, какие интересные возможности такой принтер может дать, и изучим несколько необычных (нет, фигурок под раскраску не будет:-) ).

Фотополимерный принтер даёт своему владельцу совершенно уникальную возможность создавать трёхмерные распечатанные модели с весьма высоким разрешением.

Кроме того, весьма интересным является то, что в отличие от FDM-печати, скорость печати моделей не зависит от их размера — понятно, что я имею в виду оптимальное расположение модели при печати, так как если модель придётся печатать с большим количеством поддержек, то это существенно удлинит процесс, так как модель придётся располагать соответствующим образом, под углом к печатному столику.

Хотя, это тоже вопрос дискуссионный, так как некоторые рекомендуют только так и печатать, под углом к столику, так как иначе сложно будет модель оторвать; тем не менее, многие это игнорируют.

Но тут ничего не могу сказать, так как буду ещё ставить собственные эксперименты.

Но факт остаётся фактом: фотополимерная печать даёт реальный шанс организовать серийное производство деталей с хорошим разрешением, в больших количествах, за минимальное время.

▍ Нестандартные мелкие изделия, серийно

Некоторое время назад на Пикабу промелькнул пост, где человек рассказал о своём опыте производства пуговиц на фотополимерном принтере: что ему как-то пришла в голову идея производить пуговицы в форме черепов, после чего выставить их на продажу на одном из маркетплейсов.

Казалось бы, кому оно надо? Тем не менее, оказалось, что надо, и у него стали заказывать их в большом количестве, оптом, швейные фабрики и отдельные клиенты.

Картинки: Автор — YaVamTytNeEto, pikabu.ru

Как он рассказывает, за 15 минут на своём принтере он печатал партии по 150 пуговиц, что позволило ему производить их буквально коробками. Причиной такого спроса является то, что производство любых кастомных пуговиц довольно проблемно и стоит хороших денег, требующихся на создание соответствующей оснастки и прочего. Поэтому данную нишу с лёгкостью закрывают 3D-принтеры с их способностью производить любые партии уникальных изделий с возможностью быстрой смены дизайна.

Таким образом, мы видим, что даже отдельный человек, обладающий фотополимерным 3D-принтером, при соответствующей смекалке может организовать крупносерийное производство, для которого не требуются большие цеха и куча работников…

▍ Обувь

Годы идут, и 3D-печать проникает во многие сферы жизни. Например, ещё пару лет назад много шума в интернете наделала пара кроссовок — «The Criptyde Sneaker», изготовленных с помощью 3D-печати. Их футуристичный дизайн, а также применявшийся при производстве метод покорили своей идеей многих:

Тогда же компания Sintratec провела конкурс на дизайн обуви, среди проектов была представлена целая серия вариантов, изготовленных исключительно с применением 3D-печати, где многие из представленных вариантов впечатляют и пробуждают вдохновение:

Насколько удалось выяснить (хотя информации не так много), вся обувь была произведена с применением селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering — SLS), так как компания Sintratec и является швейцарским поставщиком оборудования для такого процесса.

Думается, что подобный конкурс проводился в маркетинговых целях с целью популяризации их оборудования.

Тем не менее, учитывая, что такое оборудование является достаточно дорогостоящим и мало кому доступно (хотя и попадаются энтузиасты, которые строят такое оборудование самостоятельно), имеет смысл применить другой подход — использовать уже известные фотополимерные принтеры! Тем более, что сейчас они более чем доступны (минимальную версию можно приобрести даже по цене порядка 15 000-18 000 руб.). Конкретный бренд называть не буду, дабы не рекламировать, однако, думаю, все и так в курсе, кто это.

Почему вообще на это стоит обратить пристальное внимание, на мой взгляд: времена идут, всё меняется, и если раньше для производства обуви промышленным способом было необходимо создать некую литейную форму, то сейчас совершенно незаметно сложилась такая ситуация, что производство кастомизированной обуви с использованием 3D-печати становится доступным каждому: после того как ряд лет назад одна из компаний выпустила доступные для широкого круга пользователей недорогие 3D-принтеры, началось их взрывное распространение, что, в свою очередь, подстегнуло и развитие рынка фотополимерных смол, новые виды которых появляются чуть ли не каждый месяц.

Например, в данный момент уже есть доступные гибкие смолы, позволяющие печатать резиноподобные изделия. Совершенствование составов идёт практически постоянно, и каждое новое поколение такой смолы всё лучше и лучше подходит для своего применения.

Кроме того, многие крупные бренды, например, такие как New Balance, Nike, Adidas присматриваются к производству 3D-печатной обуви, а New Balance даже плотно поработала с компанией Formlabs, где благодаря их сотрудничеству была разработана специальная смола, способная выдерживать разные агрессивные среды и многочисленные циклы сжатия/разжатия, тысячи раз в день.

И далее с использованием этой смолы компанией New Balance была произведена целая линейка обуви.

Не отстают и другие крупные бренды, например, в январе 2023 года компания Christian Dior представила свою интерпретацию обуви для мужчин, где ботинок целиком, вместе с верхом был изготовлен с использованием 3D-печати:

Тем не менее, как можно видеть, у них используется всё ещё «устаревшая» технология SLS-спекания. Думается, это связано с тем, что дизайнерам было необходимо выполнить проект на уже имеющемся оборудовании, уложившись в некие сжатые рамки,

Кроме того, возможно, на тот момент просто не существовало нужной фотополимерной смолы (которые, как я уже сказал выше, появляются весьма часто — рынок очень активно растёт).

И кое-кто из индивидуальных мейкеров уже пытается печатать такую обувь на FDM-принтерах. Медленно, долго. Однако уникальный дизайн того стоит:

Тем не менее, то же самое, изготовленное с применением фотополимерного принтера, даёт совершенно другие возможности и выглядит даже по-другому:

Кстати говоря, последнее видео очень хорошо отвечает на сомнения некоторых, которые высказывались мне, когда я на одном из форумов озвучивал эту идею, и в ответ мне говорили, что, мол, «ты видел, сколько стоит эта фотополимерная смола, это же будет дорогущее изделие!». Тем не менее, если мы посмотрим на видео выше, мы увидим, что себестоимость может быть эффективно снижена за счёт использования в дизайне сетчатых структур.

Кроме того, уникальному дизайну вовсе не нужно конкурировать по цене — он теоретически может стоить вообще сколько угодно, и на него всё равно найдётся свой клиент (пример — картина «Чёрный квадрат» Малевича, которая явно стоит намного больше красок и трудов, которые были на неё потрачены:-) ).

Ряд лет назад мне приходилось видеть заметку о том, что, вроде бы в Швейцарии был запущен первый в мире FDM-печатный завод, где в цеху не было никакого другого оборудования, кроме 100 принтеров, предназначенных для распечатывания уникальных заказов.

Может быть, настало время задуматься о таком цехе, только с фотополимерными принтерами? ;-)

▍ Мини-типография или производство на дому

Эта идея появилась у меня некоторое время назад при рассматривании широко известной в кругах 3D-печатников забавы, так называемой «литофании», суть которой заключается в том, что создаётся трёхмерный объект с переменной толщиной, который является также полупрозрачным, и при просвечивании его светом на нём проявляется определённая фактура, фотографии и т. д. Связано это с тем, что свет по-разному проходит через участки разной толщины и, соответственно, более толстые участки выглядят более тёмными:

Картинки: Автор — Frank Deschner, printables.com

Картинки: Автор — LemDen, 3dtoday.ru

Глядя на это, меня не покидала мысль, что это всё мне что-то неуловимо напоминает… И потом мысль — «Эврика! Да это же фактически форма для флексографической/офсетной печати!»

Вкратце, что представляют собой эти виды печати: фотографическим способом засвечивается плоская гибкая пластина, которая затем натягивается на специальный барабан, где и служит печатной формой, участвующей в процессе переноса краски на запечатываемую поверхность.

Об эти два вида печати отличаются между собой, по сути, только глубиной рельефа — флексо глубже и обладает более грубым разрешением, в связи с чем используется в основном для печати по упаковке. А также благодаря своей рельефности легко справляется с печатью по поверхностям, имеющим собственную микрофактуру: картонам, дизайнерским бумагам, грубым бумагам, тканям и т. д.

В то время как офсетная печать применяется в основном для высококачественной многоцветной печати и имеет меньшую глубину рельефа.

Тем не менее, с развитием технологий в некоторой степени эти виды печати начинают пересекаться, и флексопечать, получая новые свойства по разрешению, начинает иметь возможность по осуществлению тех же работ, которые обычно исполняются с использованием офсетной печати.

Ниже наглядно показана технология офсетной печати (флексо примерно такая же, только более рельефная):

Машины для таких типов печати обычно очень большие и занимают целые залы в типографских помещениях, а их стоимость по разным оценкам составляет порядка 800 000 долларов за офсетную машину и порядка 400 000 долларов за флексографическую машину, а наработка на отказ одной напечатанной формы составляет порядка 21 000 оттисков на флексо машине и порядка 13 000 оттисков на офсетной машине.

Тем не менее, сложившаяся ситуация с фотополимерными принтерами даёт возможность любому желающему реализовать подобный процесс самостоятельно за весьма скромные деньги, а возможности он даст очень большие (об этом ниже)!

Для этого всего лишь необходимо изготовить барабан с рельефом и автоматизировать работу аппарата любым удобным для вас способом с помощью любого микроконтроллера, с которым вы умеете работать — например, Arduino, esp32 и т. д.

Причём особенно привлекательным здесь является то, что в отличие от профессиональных машин, где делается сначала плоская форма, а потом ещё её надо натянуть на барабан, вы можете сразу распечатать цилиндрический барабан с нанесённым рельефом!

Печатный фотобарабан (или барабаны, если вы будете делать полноцветную печать) можно изготовить, распечатав их из резиноподобной смолы на фотополимерном принтере в виде своеобразной «шкуры», которую потом нужно натянуть на жёсткую цилиндрическую основу, распечатанную с использованием FDM- или фотополимерной печати.

Для чего вообще это может быть нужно? Навскидку, мне видится, что применения могут быть следующими (все направления ниже могут быть использованы как для серийной, массовой печати, так и для изготовления каких-то индивидуальных изделий):

Печать на самодельной упаковке (картон, бумага), для мелкого домашнего производства каких-то изделий на продажу.
Печать на ткани, например на футболках, в полноцвет/или один/несколько цветов: можно попробовать использовать как стандартные краски для таких работ (пластизолевые), так и просто акриловые краски для окрашивания тканей, которыми художники частенько расписывают их; такая краска создаёт тонкий слой на ткани, не выглядит как «нанесённая резина» — фактически идёт окрашивание волокон ткани.
Изготовление кастомизированных обоев: как вам, например, обои для стен, с вашим индивидуальным рисунком или персонажами из компьютерной игры, от которой вы фанатеете? :-)
Массовая быстрая накатка краской печатных дорожек будущих печатных плат, перед их травлением для защиты от травящего раствора. Фактически, такой скоростной способ нанесения дорожек позволит производить печатные платы сотнями, если не тысячами, прямо на дому. Останется только приобрести ЧПУ сверлильный станок для сверления отверстий и придумать способ для быстрой пайки компонентов. Например, можно использовать способ «пайки микроволной» — берётся паяльник на 100 Вт с круглым прямым жалом, кончик жала спиливается, чтобы стал плоским, в этом кончике высверливается лунка, паяльник ставится вертикально жалом вверх, в лунку постоянно подаётся оловянный пруток с припоем (можно попробовать использовать стандартный экструдер 3D-принтера) и над этим устройством проползает по определённому, управляемому ЧПУ алгоритму печатная плата, предварительно сбрызнутая жидким флюсом. И выпирающая из этой лунки вверх капля пропаивает проползающую над ней плату.
Массовое быстрое нанесение защитной маски на тыльную сторону уже протравленной печатной платы (то есть той самой зелёной краски, которой обычно покрыта сторона платы с дорожками).
Узоры на стекле, на металле, изображения на дереве; нанесение краски с толчёным стеклом для следующего прожигания (но не обязательно, если изменить технологию, можно использовать другой тип краски) при изготовлении самодельных кафельных плиток и т. д. и т. п.
Использование барабана как средства для накатки рельефного узора на гипсовые и т. д. плитки для облицовки стен (можно даже насадить этот барабан на ручной валик, заменив обычный малярный валик на свой, самодельный).
Накатка узора на некую жёсткую основу (тот же гипс, к примеру), которую потом можно использовать как форму для вакуумного термопрессования: пластиковую пластину нагревают, она становится гибкой и потом из-под неё выкачивают воздух и она плотно «облепляет» форму. В итоге на выходе получается пустотелая деталь из пластика. Почему я вообще это упомянул: как-то давно, изучая Алиэкспресс, я поразился количеству продаж, которое имеет там продажа таких пластин (если правильно помню, примерно на 27 млн. рублей!), с рельефом «под кирпич», «под камень» — видимо, люди берут себе домой для оформления стен квартир (под дальнейшую покраску). Вот вам и одна из идей – куда применить такой барабан ;-)

Так что, как легко можно заметить, самодельная печатная машина (или даже просто валик для ручной прокатки) с резиновыми барабанами, изготовленными на фотополимерном принтере, может дать огромное количество возможностей…

Причём, повторюсь, что интересно, если профессиональные машины такого типа стоят очень дорого, и даже теоретически мало доступны почти всем, то, используя фотополимерный принтер, можно получить доступ к таким технологиям и начать их активно применять и даже на дому!

А, допустим, про применение флексо/офсет-технологий для производства печатных плат я вообще не слышал, и это может быть весьма интересно!

Теперь, как можно изготовить такой барабан с рельефом в виде 3D-модели (так как нам нужна именно она для распечатки)?

Навскидку я знаю как минимум два таких варианта: изготовление с использованием 3D-редактора 3D Studio Max и с использованием SolidWorks.

Но, вообще, насколько мне известно, принцип подобной работы с изображениями реализован во множестве иных редакторов, например, в редакторе Rhino. Но об этом я уже ничего не могу сказать, так как в нём не работал. Сам я тяготею к первому способу (3D Studio Max).

Расскажу вкратце, концептуально, иначе, если это описывать подробно, то получится целая статья…

Итак, допустим, у нас есть некое изображение, которое мы хотим распечатать в полноцветном режиме.

Для создания такого рельефного барабана необходима будет чёрно-белая карта высот, где чем темнее цвет на этой картинке, тем глубже это место находится, и наоборот (впрочем, редакторы позволяют инвертировать картинку «на лету», что позволяет развернуть всё наоборот парой кликов).

Как я уже сказал выше, допустим, у нас есть полноцветная картинка того, что мы хотим напечатать в полноцветном режиме. Это означает, что нам необходимо изготовить четыре барабана четырёх цветов (как в показанном выше ролике, где объяснялся принцип офсетной печати).

Для этого мы открываем картинку в Adobe Photoshop и далее делаем следующее:

Переводим её в цветовой режим CMYK.
Отключаем отображение всех цветов, кроме одного (идём слева-направо, то есть, мы сначала обрабатываем C, потом М, затем Y, затем К).
Конвертируем этот цвет в чёрно-белый режим.
Сохраняем чёрно-белую картинку (файл-сохранить как...) на компьютере, в формате JPEG.
Проделываем шаги 2-4 для всех остальных цветов (M, Y, K).

Дальнейшая работа с изображением осуществляется в редакторе 3D Studio Max и пример такой работы (правда, для плоскости, но для цилиндра похоже, только несколько сложнее) показан в видео ниже:

Или об этом можно почитать ещё вот здесь.

После создания нужного цилиндра и настройки его свойств, чтобы нас это устраивало, он далее экспортируется в виде 3D-модели в формате .stl

Далее эта модель загружается слайсер, после чего распечатывается на фотополимерном принтере.

А как то же самое делается в SolidWorks, можно посмотреть вот здесь:

И так надо проделать для всех четырёх барабанов — то есть на выходе у вас должно быть четыре отдельных распечатанных барабана, каждый из них на свой цвет (C, M, Y, K).

Далее останется только построить машину, работающую на принципах, описанных в видео про офсетную печать, и аппарат готов!

Хороший совет: если будете делать барабан для накатки какой-то текстуры (например, камень, кирпич или какой-то узор), то очевидно, что такая текстура не должна создавать швов при накатке. Её можно изготовить самостоятельно (используя тот же Adobe Photoshop) или же, поступить проще — скачать с сайта textures.com — там имеется большое количество бесшовных (seamless) текстур (кликабельно):

Но тут остался ещё один любопытный вопрос: а какое качество распечатываемой картинки может дать такой барабан?

Полагаю, что задача состоит из многих составляющих и зависит от типа смолы, разрешения экрана принтера и прочего, но, учитывая информацию о принтере (для примера взят Anycubic Photon M5S Pro — у меня как раз такой), где написано, что точность печати (что бы это ни значило) сравнима с толщиной человеческого волоса:

Его разрешения вполне должно хватить для изготовления достаточно высококачественных отпечатков (как минимум, для флексо-процесса уж точно, т. к. его среднее разрешение 150 lpi (lines per inch — линий на дюйм). Там считают в линиях, а не в dpi (dot per inch — точек на дюйм), как мы привыкли). И, по идее, качество может быть даже сравнимым (но надо тестировать) с офсетной печатью (т. е. с её наиболее часто использующимся разрешением в районе 300 dpi).

Итак, подытоживая, мы видим, что мир незаметно меняется и количество этих изменений приводит к качественным скачкам во многих областях, один из которых, весьма явный, начался в тот момент, когда большое количество людей получили доступ к недорогим, доступным фотополимерным принтерам и тем возможностям, которые они предоставляют.

Это даёт шанс каждому проявить себя интересным образом, а учитывая возможности такого типа принтеров в области серийного производства и текущую ситуацию с распространением маркетплейсов (через которые можно продавать свою продукцию) каждый может попробовать реализовать собственный «маленький завод», потому что, «а почему бы и нет?» ;-)