Что такое 3д технологии виды. Как возникает объемное изображение. D-технологии домашнего применения

В 2010 году технология 3D считалась, пожалуй, наиболее популярной, востребованной и инновационной. Сейчас интерес к 3D подостыл, и с каждым днем находится все больше и больше людей ею недовольных. Впрочем, критика — лишь очередной шаг на пути к прогрессу. В этой статье я расскажу о том, как получается объемное 3D -изображение, и какие технологии для этого используются.

Немного теории:

В основу 3D-технологий положена идея создания двух изображений для каждого глаза пользователя. По идее, создать 3D-контент (фото или видео) легко — достаточно просто объединить 2 камеры в одном устройстве, а затем уже свести воедино полученную с них информацию. Гораздо сложнее «показать 3D», то есть показать каждому глазу «свою» картинку.

Поляризация:

Базовые познания из курса оптики напоминают о том, что создавать «объем» можно с помощью поляризации светового потока. Достаточно пропустить свет через специальные преломляющие свет кристаллы, чтобы создать иллюзию трехмерного изображения. Для просмотра такого изображения потребуется использование специальных поляризационных очков. На принципе поляризации основана технология iМах 3D , используемая в кинотеатрах и неприменимая в домашней электронике.

Анаглиф:

Первые шаги в области 3D-технологий основаны на разделении картинки для каждого глаза по цвету. Такое видео (или изображение) называется анаглифным, а для просмотра анаглифного контента нужны специальные красно-синие очки (для одного глаза — красный фильтр, для другого — синий). Впрочем, при таком подходе хромают цветопередача и качество изображения. Анаглифное видео было популярно в 70-80-х годах прошлого века, но с тех пор уже немало воды утекло, и на дворе XXI век, век инновационных технологий.

Разделение строк:

Идея формировать разные картинки для каждого глаза путем построчного вывода их на экран — гораздо более современная и продвинутая. На ней основана, пожалуй, наиболее широко распространенная 3D-технология XpanD , которая используется как в кинотеатрах, так и 3D-телевизорах и мониторах. Для просмотра 3D-контента необходимы специальные очки, более того, они должны синхронизироваться непосредственно с устройством просмотра.

Синхронизация, как правило, осуществляется через ИК-датчик, расположенный между стеклами очков, ведь, как известно, если закрыть его пальцем (многие проделывали этот трюк в 3D -кинотеатрах ), объемное изображение теряется. Специальные очки (точнее, стекла в них) закрывают для каждого глаза то изображение, которое он не должен видеть — вот так просто и элегантно решена проблема создания объемного изображения.

Параллакс:

Впрочем, для просмотра 3D-контента можно обойтись и без очков. В таком случае экран должен «подготовить» две разных картинки для каждого глаза. Поверх экрана располагается так называемый параллаксный барьер, слой из тонких и точных щелей, отвечающих за то, какую картинку видит тот или иной глаз. Естественно, определенная часть экрана при этом скрыта от каждого из глаз (за этим самым барьером), но, тем не менее, наш мозг и при обработке такого «разорванного» изображения формирует цельную картинку.

К недостаткам этой технологии следует отнести то, что при малейшем сдвиге от оптимальной точки просмотра глаза уже не будут воспринимать изображение как объемное, оно будет просто двоиться или размываться. Экраны с параллаксным барьером используют в портативных устройствах — телефонах, фотоаппаратах и ноутбуках.

Но как же бе недостатков? Ничто в мире не совершенно, не являются исключением и 3D-технологии . Вот перечень основных недостаткой:

Очки довольно сильно затемняют изображение;
При просмотре 3D — контента болят глаза;
Объемный эффект хорошо ощутим только в специально подготовленных видеороликах, чаще всего увиденное 3D-изображение не впечатляет;
Для просмотра 3D-контента необходим специальный экран (а порой еще и очки);
Да и распечатать 3D-фотографию, увы, не удастся. Пока..

Выбирая 3D телевизор, все сталкиваются с вопросом, какая технология 3D лучше активная или пассивная? Консультанты в магазине могут рассказать множество ненужных вещей, поэтому мы постараемся собрать самую важную информацию и подать ее в максимально простой и доступной форме. Различные производители телевизоров поддерживают различные технологии. Так Samsung , Sony , Panasonic и Sharp производят телевизоры с активным 3D . LG упорно продолжают выпускать свои телевизоры с пассивным 3D , а Philips и Toshiba выпускают телевизоры обеих технологий. Теперь разберемся чем отличается активное 3D от пассивного.

Активное 3 D

Отличительной особенностью активного 3D является поочередная передача изображения на каждый глаз. Для этого используются специальные очки, которые называются затворными или 3D очками с активным затвором. При использовании, такие очки с невероятно большой скоростью поочередно закрывают то левый, то правый глаз. Подобная процедура позволяет сформировать эффект не плоского, а объемного изображения. Для функционирования очков обязательно нужен источник энергии, которым чаще всего служит небольшая батарейка, устанавливаемая прямо на очках. Именно батарейка осуществляет питание затворного механизма, который отвечает за работу очков.

Применения данной технологии ставит задачу синхронизации телевизионного дисплея и активного затвора на очках. Это дает возможность обеспечить нормальную работу устройств и формировать 3D изображение хорошего качества. Раньше для синхронизации телевизора с очками использовался провод, который соединял устройства. Но это приносило значительные неудобства, поэтому сейчас для синхронизации используется инфракрасное излучение.

Применениеактивных затворных очков позволяеткаждому глазу видеть изображение в такомразрешении, каким его выдаетисточник. Если Вы смотрите Full Hd , то и видите Full Hd . Но одним из недостатков является то, что такие очки затемняют изображение. На жидкокристаллическом телевизоре этого почти не будет видно, а вот на проекторе уже заметнее. Плюс ко всему при длительном просмотре у некоторых людей могут заболеть глаза, и даже голова. На глаза приходится очень большая нагрузка, хотя большинство людей через десять минут привыкают к изображению и чувство дискомфорта пропадает.

Еще одним недостатком является тот факт, что изображения подаются на глаза по отдельности. Они чередуются с той частотой, которая запрограммирована в просматриваемом контенте и конкретной модели телевизора. Предположим, что 3D фильм сняли с частотой 60 кадров в секунду. В этом случае кадры для левого и правого глаза будут обновляться с частотой 30 в секунду. Это повлияет на восприятие динамических и медленных сцен. При просмотре возможны различные рывки и неравномерности движения.

Активная технология стоит недешево. Это касается как телевизора, так и самих очков. Поэтому в комплекте с телевизором идет максимум две пары очков (в большинстве случаев одна). А если захотите докупить еще, то придется раскошелиться. А Вы обязательно захотите посмотреть 3D с семьей или знакомыми.

Пассивное 3 D

Пассивная 3D технология работает совершенно по-другому. Передача картинки осуществляется одновременно и на левый, и на правый глаз. Изображение посылается под разными углами и, проходя через линзы очков, поступает для восприятия зрителем раздельно. При такой технологии, каждому глазу достается только одно предназначенное конкретно для него изображение, а другое изображение отсеивается. Для просмотра 3D изображений используются пассивные очки, которые не нуждаются в источнике питания.

В общем случае пассивные очки можно поделить на две группы — анаглифные и поляризационные. Самыми простыми по устройству и соответственно дешевыми являются анаглифные очки. В большинстве случаев их изготавливают из картона и пары стекол различных цветов (обычно синего и красного). Используя такие очки можно наблюдать объемный эффект весьма невысокого качества. Использованиецветных светофильтров в значительной степени искажает реальные цвета изображения.

Поляризационные очки — более продвинутые. Они делятсяна очки с круговой и линейной поляризацией. Первые очки дают больше свободы, так как от вращения головой качество 3D картинки не ухудшается. Однако в большей степени распространены очки с линейной поляризацией, которые требуют от зрителя удержания головы в вертикальном положении. Это связано с тем, что одному глазу подается горизонтально поляризованное изображение, а второму — вертикальное. Если Вы будете наклонять голову, то возможно ухудшение качества объемного изображения.

Если отталкиваться от того, что Вы смотрите изображение в разрешении 1920×1080, то с использованием пассивных очков Вы сможете видеть картинку лишь в разрешении 1920×540. Возможно возникновение небольших угловатостей изображения и прочих незначительных дефектов. В связи с тем, что стекла пассивных 3D очков покрыты поляризационной пленкой, изображение будет выглядеть темнее действительного. Но уровень затемнения будет намного меньше, чем в активных очках. К тому же глаза зрителя почти не напрягаются, ведь ничего постоянно не мигаетс большой скоростью. Вполне комфортно можно высидеть весь фильм без возникновения неприятных ощущений. Такая технология гораздо дешевле в производстве, поэтому производитель предоставляет в комплекте по четыре-пять пар очков. А если хотите купить еще — без проблем, ведь стоят они намного дешевле затворных.

Технология 3 D пассивная и активная — плюсы и минусы

Для закрепления еще раз обсудим достоинства и недостатки обоих технологий. Для использования активной 3D технологии необходимо наличие дорогих затворных очков, которые наверняка придется докупать для просмотра объемного кино кампанией. При использовании этой технологии пользователь наблюдает картинку оригинального разрешения в хорошем качестве с минимальным уровнем искажения. Чем выше разрешение, тем лучше воспринимается итоговая глубина объемного изображения. Однако за это все приходится платить уставшими глазами и возможной головной болью.

Пассивное 3D более дешевое. За это приходится платить уменьшенным разрешением картинки и, следовательно, менее качественным изображением. Зато ваши глаза не будут напряжены и Вам обеспечен комфортный просмотр.

Итоги

Как Вы смогли убедиться, отличия активного 3D от пассивного существенны. Но однозначного ответа в пользу отдельной технологии нет. Каждый пользователь должен выбрать лично для себя исходя из плюсов и минусов, какой 3D технологии отдать предпочтение.

Продолжаем неделю 3D. Прогресс не стоит на месте, и сегодня технологии трёхмерной визуализации реальности получают всё большее развитие в современном мире. Наш сегодняшний рейтинг касается 10 самых интересных 3D-технологий современности.
1

Задумка многих фантастов давно уже стало реальностью, и теперь, имея дома 3D-принтер, можно создать прототип любой модели. Например, можно в домашних условиях сделать открытие мирового масштаба, создав проект своего изобретения и доведя его до совершенства. Кроме того, при помощи 3D-принтера можно наладить производство небольших деталей и различных мелочей, можно задать производство определённых форм для последующих литья, ковки и т.д. Удобная штука этот 3Д-принтер… Кстати, учёные всерьёз задумались о клонировании органов подобным способом.

Современные разработки 3D могут качественно улучшить уровень медицины. Например, уже сегодня компания SONY предлагает большое количество товаров, предназначенных для просмотра трёхмерных изображений на медицинских мониторах с целью ультразвуковых исследований, эндоскопической хирургии, микрохирургии и т.д. Кроме пользы в ходе выполнения непосредственно медицинской процедуры, 3D-изображение может быть сохранено в HD-качестве и в дальнейшем использовано для образования и обучения медицинского персонала, работающего в данной отрасли.

Уже не нужно бежать в кинотеатр за 3D-очками, чтобы посмотреть «Аватар»: теперь 3D-технологии доступны в каждом доме, да, это недешёвое удовольствие, тем не менее, 3D-телевизоры стоят того! Смотрится такой телевизор, естественно, в специальных очках, и эффект присутствия потрясает воображение!

Строго говоря, напольные покрытия 3D – это не сам пол, а изображение на нём. Процесс монтажа довольно трудоёмкий и дорогой, но зато потом вы можете наслаждаться любыми видами под ногами. Кстати, в этом случае реально обещать постелить своей возлюбленной под ноги небо, как в известной песне.

При помощи профессионального 3D-сканера можно оцифровать любой реальный объект окружающей реальности, создать его модель и управлять ею в режиме реального времени.

По сути, 3D-ручка – это портативный 3D-принтер, главное отличие технологий в том, что модель не нужно составлять на компьютере, достаточно, используя ручку, рисовать в воздухе придуманный предмет. Чудеса, да и только!

В компании Dassault Systèmes оборудована специальная комната, стены, пол и потолок которой представлены как 3D-экраны, на которые передаются трёхмерные изображения. Дизайнер, заказчик и руководитель проекта могут, одновременно находясь в комнате, обсуждать детали тех или иных проектов.

На восьмом месте рейтинга, пожалуй, одна из самых эффектных 3Д-технологий: голографический стол предназначается для интерактивных визуализаций.

Компьютерная программа системы MGUIDE от Mis в стоматологии. Программа существенно облегчает работу стоматолога в том, что касается диагностики, планирования и проведения хирургического этапа, а также протезирования.

Такие радары обладают меньшими габаритами в сравнении с традиционными моделями, кроме того, 3D-радар обеспечивает картографирование с высокой точностью разрешения. Особый интерес технология представляет для разработки беспилотников нового поколения.
Итак, 3D-технологии представляют большие возможности для применения в разных отраслях знания. Эти технологии развиваются очень быстро, и кто знает, что предложат разработчики уже завтра!

Идея 3D-телевидения так же стара, как мир телевидения и кино. Желание получить трёхмерное изображение и создать иллюзию того, что изображение на экране является чем-то большим, чем просто двухмерная картинка, существует с самого момента зарождения кинематографа и телевещания.
К сожалению, 3D-кино и 3D-телевидение всегда оставались на уровне лёгкого увлечения. И проблема всегда состояла в том, что поиск решений для того, чтобы заставить 3D работать, казался совершенно пустой тратой времени. С появлением HD-экранов ситуация начала улучшаться. В данном материале мы посмотрим, как выглядят современные 3D-телевизоры, рассмотрим принципы их работы, а также поможем вам определиться с наиболее подходящим для вас типом таких телевизоров.

Что такое 3D, и как его снимают?

Производство 3D-контента, по большому счёту, происходит именно так, как вы себе можете это представить. Для съёмок фильма в 2D используется одна камера, а для производства 3D-фильма требуется две камеры. Цель состоит в том, чтобы снять два различных и немного раздельных изображения, которые можно будет затем использовать для того, чтобы левый и правый глаз могли получать немного разные картинки происходящего. Такое действие, по сути, повторяет то, как мы видим естественную трёхмерную картину мира.
Для проведения такой «двойной» съёмки многие теле- и кинокомпании используют специальное оборудование, обеспечивающее одновременную работу двух камер. Устройство снабжено системой точного контроля, которая позволяет настраивать и подстраивать камеры для слаженной работы. Данный процесс сам по себе довольно сложен, кроме того, он требует, чтобы камеры и, в первую очередь, их оптическая составляющая, были практически идентичными – именно это и позволит получить наилучший результат. На рынке также имеется несколько видеокамер, снабжённых двухлинзовой системой съёмки. В частности, такие камеры – как для профессиональной, так и для любительской съёмки – поставляют компании Panasonic и Sony.

Разумеется, есть и другие способы съёмки 3D-видео. К примеру, изображение можно сделать трёхмерным в процессе пост-продакшна, особенно, когда речь идёт о фильмах с большим количеством компьютерных эффектов и графики. Поскольку большое количество фильмов снимается с использованием технологии «зелёный экран», сегодня есть много возможностей создавать то, что принято называть «искусственный 3D».

Во всех случаях готовый 3D-фильм состоит из двух отдельных рядов кадров: один ряд – для левого глаза, второй – для правого. А то, каким образом вы можете смотреть данное видео, определяется типами вещательной системы и системы просмотра, на которые мы и предлагаем обратить более пристальное внимание.

Активная 3D-технология

Активная 3D-технология – это система, которая работает на плазменных и жидкокристаллических экранах и требует наличия специальных активных 3D-очков для просмотра трёхмерного изображения. Сегодня эти очки достаточно лёгкие и удобные в использовании, хотя некоторые производители ещё не совсем довели их дизайн и функциональность до совершенства. Частенько данные очки снабжены аккумуляторным блоком, который заряжается при помощи подключаемого через USB зарядного устройства.
В основе данных очков лежит использование специальных линз с жидкокристаллическим верхним слоем. При прохождении через этот слой электрического напряжения линза практически полностью теряет прозрачность, при отсутствии напряжения прозрачность восстанавливается. Тем не менее некоторые световые потери наблюдаются при смотрении через линзу и в момент отсутствия напряжения в жидкокристаллическом слое, что делает видимое через очки изображение на экране телевизора немного темноватым по сравнению с оригиналом.
Для формирования 3D-кар-тинки телевизор последовательно отображает кадры для левого и для правого глаз. При этом очки затемняют линзу для «ненужного» в данный момент глаза. Частота таких затемнений для каждого раза составляет 24, 25 или даже 30 раз в секунду, поэтому вы практически этого не замечаете. Впрочем, отдельные люди жалуются на некоторое ощущение моргания картинки – именно с этим и связано возникновение головных болей у небольшого количества зрителей, использующих 3D-очки.

Большим преимуществом активной системы является то, что она даёт истинное 1080p 3D изображение. Это значит, что, по крайней мере, в плане качества картинки данная система значительно превосходит пассивную 3D-технологию. Однако многое зависит от конкретной ситуации, и есть много причин для того, чтобы полюбить пассивную 3D-систему.

Пассивная 3D-технология

Наибольшим преимуществом пассивной 3D-технологии является то, что очки, необходимые для просмотра изображения в данной системе, являются безумно дешёвыми по сравнению со стоимостью очков с активным затвором.
Впрочем, при домашнем использовании пассивная 3D-система имеет один большой недостаток: разрешение изображения составляет половину от разрешения картинки в активной 3D-технологии. Причина этого состоит в том, что картинки для обоих глаз должны появляться на экране одновременно. На поверхности жидкокристаллического экрана (плазменных панелей для пассивного 3D не существует) размещён специальный фильтр, который по-разному поляризует каждую из строк, формирующих изображение. Таким образом, телевизор одновременно отображает две картинки (для правого и левого глаза), составляющие 3D-изображение: к одной из них относятся чётные строки, к другой – нечётные. Данный процесс называется «чересстрочная развёртка».
Каждая из двух линз, составляющих пассивные 3D-очки, поляризована таким образом, чтобы соответствовать поляризации того или иного набора строк на экране. Таким образом, каждый глаз видит лишь то, что предназначено конкретно для него. Минусом данной технологии является то, что чересстрочная развёртка снижает разрешение картинки: в пассивной 3D-технологии каждый глаз видит картинку с разрешением 1920 x 540 пикселей.

Таким образом, вы получаете полное разрешение по горизонтали, однако лишь половину – по вертикали. Впрочем, на практике это не составляет такой уж большой проблемы. Большинство зрителей считает, что пассивная 3D-технология намного удобнее для длительного использования, и если вокруг вас есть много любителей смотреть фильмы и спортивные трансляции, данная система является наиболее практичной и доступной.

Как 3D-видео передаётся в телевизионных сетях?

Телевизионные вещатели весьма ограничены в плане имеющейся у них ёмкости, поэтому передача полноценного 3D-сигнала, состоящего из двух отдельных потоков, в общем-то, нереальна. Для того чтобы обойти данную проблему, вещатели используют метод, названный «бок о бок». Данный метод заключается в том, чтобы взять пару из кадров, предназначенных для правого и левого глаза, и разместить их на экране бок о бок таким образом, чтоб вместе они заняли ровно столько же места, сколько на экране телевизора занимает стандартное HD-изображение. Если телезритель смотрит такую трансляцию на экране обычного 2D-телевизора, то он видит две практически идентичные картинки, сдавленные с боков так, что всё на них кажется высоким и тонким. В то же время 3D-телевизор разделяет этот «сдвоенный» кадр на две половинки и отображает их согласно принципам, свойственным использованной в нём системы 3D.

В результате мы получаем 3D-изображение, которое технически имеет HD-качество, однако это качество значительно ниже качества Full HD 3D фильма, воспроизводимого с Blu-ray диска. Тем не менее получаемые результаты весьма хороши, и качество 3D-картинки можно считать приемлемым.

Как работает 3D на Blu-ray дисках?

Гораздо в лучшем положении оказывается 3D-видео, будучи записанным на Blu-ray диск. В этом случае вы можете получить картинку в качестве Full HD 3D с разрешением 1080p, но только в случае использования правильного оборудования: пассивные 3D-системы не могут отображать 3D-видео в формате Full HD, на это способны лишь активные системы.
С ростом популярности 3D была разработана новая система видеокомпрессии, которая позволяет значительно экономить объёмы используемой памяти. В итоге на стандартном диске можно разместить большее количество кадров, что крайне необходимо для 3D. Это, в свою очередь, означает, что на таком диске можно сохранять в формате Full HD оба ряда кадров – для правого и левого глаза, без того сжатия, которое мы видим при трансляции сигнала 3D-телевидения. Запись 3D-видео, даже с использованием новой системы компрессии, всё равно требует значительного пространства на диске, что в итоге приводит к отсутствию на диске места для записи дополнительных материалов. Однако это не является такой уж большой проблемой, поскольку в коробку всегда можно положить второй, дополнительный диск, записанный в HD-формате. Видео, состоящее из двух рядов кадров (для правого и левого глаза), отображается на экране вашего телевизора согласно системе, в которой он работает.

3D-кинотеатры против домашних 3D-систем

Существует несколько конкурирующих между собой 3D-форматов, используемых в кинотеатрах. Каждый из кинотеатров волен выбирать систему на собственное усмотрение. Большинство кинотеатров сегодня использует пассивные 3D-системы, и это означает, что им не приходится тратить деньги на дорогие очки с активным затвором для каждого зрительского места. В то же время первые кинотеатры IMAX 3D использовали активные 3D-очки, таким образом, эта система далеко не чужда кинотеатрам.
Для Dolby-кинотеатров существует система, которая является пассивной по своему характеру, однако требует использования более дорогих очков. Преимущество в использовании данной Dolby-системы состоит в том, что для её использования кинотеатру не приходится проводить замену экрана. Вместо этого используются очки со светофильтрами, «заточенными» под определённую длину световой волны, а также вращающийся фильтр, установленный перед проектором, позволяющие направлять картинки в нужный глаз.
Однако, по большому счёту, доминирующим 3D-форматом для кинотеатров является система RealD, которая использует поляризующие фильтры и недорогие очки. Кадры, предназначенные для левого и правого глаза, проецируются на экран через специальный поляризатор, установленный перед объективом кинопроектора. Система RealD предусматривает отдельную передачу кадров для правого и левого глаза – они передаются друг за дружкой с частотой 144 раза в секунду, а очки с поляризованными линзами перед глазами зрителей приводят к тому, что каждый глаз получает в итоге предназначенное лишь ему изображение.

Компания Sony предлагает облегчённый вариант данной системы, в котором используется 4К-проектор для одновременной передачи изображений для левого и правого глаза, при этом для каждого из глаз предназначается картинка с разрешением 2К.

3D-технология, не требующая специальных очков

У производителей телевизоров во всём мире есть одна общая цель: создать такую систему, которая бы не требовала использования очков при просмотре 3D-видео, но при этом создавала бы зрителю полный эффект трёхмерности. Технически это уже возможно, и телевизоры, использующие такие системы, уже в течение нескольких лет демонстрируются в рамках CES и других телевизионных выставок.
Наибольшей проблемой 3D-систем, не требующих использования очков для просмотра видео, является проблема качества. Безусловно, эти системы способны давать 3D-изображение, однако это далеко не то качество картинки, которое вам хотелось бы видеть. Кроме того, для полного погружения в просмотр такого видео вам придётся смотреть на экран под определённым углом, и эксперты, исследующие качество работы таких систем, после проведения испытаний жаловались на лёгкую косоглазость.
Впрочем, в компании Dolby убеждены, что полноценные 4K/3D-телевизоры, не требующие для просмотра очков, должны начать появляться на рынке в 2015 году. Технология Dolby, разработанная в сотрудничестве с Philips, основана на применении дисплеев с повышенным разрешением, используемым для отображения видео в формате 1080p/3D. Для проведения демонстрации технологии на выставке CES 2014 использовался 8K-телевизор производства Sharp. В компании Dolby утверждают, что в новой технологии сведены до минимума все проблемы прежних систем «3D без очков», включая необходимость сидеть перед экраном в определённой точке.

3D-системы на основе шлемов-масок

Одной из сфер, в которой 3D-видео имеет огромный потенциал, является использование 3D-дисплеев, которые можно носить на лице подобно очкам или шлему. В качестве примеров можно назвать такие устройства, как Oculus Rift и Project Morpheus, которые являются 3D-совместимыми масками-шлемами и могут быть использованы в качестве устройств виртуальной реальности.
Помимо заложенного в эти устройства игрового потенциала, в силу наличия в них отдельных экранов для каждого из глаз, можно предположить их использование в качестве устройств, дающих впечатляющий 3D-эффект. Возможно, поначалу зрителям будет немного некомфортно носить на лице такую маску, и потребуется некоторое время для привыкания к ней, однако данные устройства несут в себе невероятный потенциал для реалистичного 3D-видео.

Есть ли будущее у 3D-телевидения?

Сегодня дополнить телевизор 3D-функцией относительно недорого. Для активных 3D-систем стоимость такого усовершенствования не превышает стоимости активных очков. Это значит, что практически все выпускаемые сегодня телевизоры имеют встроенную опцию 3D. Впрочем, это не отменяет использование маркировки «3D» для повышения продаж.
Поскольку Голливуд продолжает снимать фильмы в 3D, этот формат, несомненно, имеет своё место в домах зрителей. Запрос на новые блокбастеры, снятые и записанные в 3D, существует, хоть он и не так велик, как того хотелось бы Голливуду.
Возможно, в один прекрасный день на смену 3D придёт что-то гораздо лучшее – например, голографическое кино. Однако, судя по всему, этот день настанет ещё не скоро.

Мы уже рассказывали, что технологий 3D-печати очень много, и регулярно появляются либо новые, либо модификации уже известных, поэтому мы не будем пытаться объять необъятное и подробнее расскажем лишь о наиболее интересных и распространенных.

Начнем, конечно, со стереолитографии, которая исторически была самой первой.

Стереолитография (StereoLithography Apparatus, SLA)

Исходным продуктом является жидкий фотополимер, в который добавлен специальный реагент-отвердитель, и эта смесь напоминает всем известную эпоксидную смолу, только в обычном состоянии она остается жидкой, а полимеризуется и становится твердой под воздействием ультрафиолетового лазера.

Естественно, лазер не может сразу создать всю модель в толще полимера, и речь может идти только о последовательном построении тонкими слоями. Поэтому используется подвижная подложка с отверстиями, которая с помощью микролифта-элеватора погружается в фотополимер на толщину одного слоя, затем лазерный луч засвечивает области, подлежащие отверждению, подложка погружается еще на толщину одного слоя, вновь работает лазер, и так далее.

Не обходится и без существенных сложностей. Во-первых, требования к самому фотополимеру достаточно противоречивы: если он будет густым, то его легче полимеризовать, но сложнее обеспечить ровную поверхность после каждого шага погружения; приходится использовать специальную линейку, которая на каждом шаге проходит по поверхности жидкости и выравнивает ее. Большое количество отвердителя при фиксированной мощности лазера позволит уменьшить необходимое время воздействия, однако неизбежная фоновая засветка «портит» окружающий объем полимера и сокращает возможный срок его использования.

Во-вторых, полная полимеризация каждого слоя заняла бы немало времени, поэтому засветка производится до уровня, при котором слой приобретает лишь минимально необходимую прочность, а впоследствии готовую модель, предварительно промыв от остатков жидкого полимера, приходится облучать мощным источником в специальной камере, чтобы полимеризация достигла 100%.

Плюсы технологии понятны:

можно получить очень высокое разрешение печати, т. е. достичь хорошей точности при изготовлении моделей, которая по вертикали зависит в основном от возможностей элеватора, погружающего платформу, и обычно составляет 100 мкм, а в лучших аппаратах и меньше, до 25–50 мкм; по горизонтали точность определяется фокусировкой лазерного луча, вполне реальным является диаметр «пятна» в 200 мкм; соответственно и качество поверхности даже без дополнительной обработки получается высоким;
можно получать очень большие модели, размером до 150×75×55 см и весом до 150 кг;
механическая прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100 °С;
очень мало ограничений на сложность модели и наличие у нее мелких элементов;
малое количество отходов;
легкость финишной обработки, если таковая вообще потребуется.

ограниченный выбор материалов для изготовления моделей;
невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле;
малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали;
очень большие габариты и вес: так, один из SLA-аппаратов 3D Systems ProX 950 весит 2,4 тонны при размерах 2,2×1,6×2,26 м.

Хотя мы упомянули ограниченность спектра расходных материалов, но всё же выбор есть, и можно получать модели с разными свойствами: с повышенной термостойкостью, гибкие, с высокой стойкостью к абразивам. Правда, с цветами хуже: доступно очень ограниченное количество, включая белый, серый, а также полупрозрачный.

Но главный минус - высокая цена как самих принтеров (сотни тысяч долларов), так и расходных материалов (две-три тысячи долларов за 10-килограммовый картридж), поэтому сколь-нибудь массово SLA-аппараты не встречаются.

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Этот метод появился примерно в то же время, что и SLA, и даже имеет с ним много общего, только вместо жидкости используется порошок с диаметром частиц 50–100 мкм, тонкими равномерными слоями распределяемый в горизонтальной плоскости, а потом лазерный луч спекает участки, подлежащие отверждению на данном слое модели.

Исходные материалы могут быть самые разные: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошок наносится и разравнивается по поверхности рабочего стола специальным валиком, который при обратном проходе удаляет излишки порошка. Затем работает мощный лазер, спекающий частицы друг с другом и с предыдущим слоем, после чего стол опускается на величину, равную высоте одного слоя. Для снижения мощности лазера, необходимой для спекания, порошок в рабочей камере предварительно нагревается почти до температуры плавления, а сам лазер работает в импульсном режиме, поскольку для спекания важнее пиковая мощность, а не длительность воздействия.

Частицы могут расплавляться полностью или частично (по поверхности). Незапеченный порошок, остающийся вокруг отвердевших слоев, служит поддержкой при создании нависающих элементов модели, поэтому нет необходимости в формировании специальных поддерживающих структур. Но этот порошок по окончании процесса необходимо удалить как из камеры, особенно если следующая модель будет создаваться из другого материала, так и из полостей уже изготовленной модели, что можно сделать лишь после ее полного остывания.

Зачастую требуется финишная обработка - например, полировка, поскольку поверхность может получаться шероховатой или с видимой слоистостью. Кроме того, материал может использоваться не только чистый, но и в смеси с полимером или в виде частиц, покрытых полимером, остатки которого нужно удалить путем выжигания в специальной печи. Для металлов одновременно происходит заполнение возникающих пустот бронзой.

Поскольку речь идет о высоких температурах, необходимых для спекания, процесс происходит в азотной среде с малым содержанием кислорода. При работе с металлами это еще и предотвращает окисление.

Серийно выпускаемые установки SLS позволяют работать с достаточно большими объектами, до 55×55×75 см.

Габариты и вес самих установок, как и SLA, достаточно впечатляющие. Так, аппарат Formiga P100, изображенный на фото, при довольно скромных размерах изготавливаемых моделей (рабочая зона 20×25×33 см) имеет размеры 1,32×1,07×2,2 м при весе 600 кг, и это без учета таких опций, как установки для смешивания порошка и системы очистки-фильтрации. Причем работать P100 может только с пластиками (полиамид, полистирол).

Вариантами технологии являются:

Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) , которое используется для работы с чистыми металлами без примесей полимера и позволяет создать готовый образец за один этап.
Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) с использованием электронного луча вместо лазера; эта технология требует работы в вакуумной камере, но позволяет использовать даже такие металлы, как титан.

Встречаются и такие названия, как Direct Metal Fabrication (DMF) , а также Direct Manufacturing .

Принтер SPRO 250 Direct Metal производства 3D Systems, который, как понятно из названия, может работать с металлами по технологии SLM, с рабочей камерой 25×24×32 см имеет размер 1,7×0,8×2 метра и вес 1225 кг. Заявленная скорость от 5 до 20 кубических сантиметров в час, и можно сделать вывод, что модель объемом со стакан будет изготавливаться минимум 10 часов.

широкий спектр материалов, пригодных для использования;
позволяет создавать очень сложные модели;
скорость в среднем выше, чем у SLA, и может достигать 30–40 мм в час по вертикали;
может использоваться не только для создания прототипов, но и для мелкосерийного производства, в т. ч. ювелирных изделий;

требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода;
меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение: минимальная толщина слоя 0,1–0,15 мм (в зависимости от материала может быть и немного менее 0,1 мм); по горизонтали, как и в SLA, точность определяется фокусировкой лазерного луча;
требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка;
в большинстве случаев требуется финишная обработка.

Цена на установки SLS еще выше, чем SLA, и может достигать миллионов долларов. Однако отметим, что в феврале 2014 года истек срок патентов на технологию SLS, поэтому вполне можно спрогнозировать увеличение количества компаний, предлагающих подобную технику, а соответственно и заметное снижение цен. Тем не менее, вряд ли в ближайшие годы цены снизятся столь существенно, что SLS-печать станет доступной хотя бы малому бизнесу, не говоря уже о частных энтузиастах.

Поскольку материалы очень разнообразны, мы не приводим ориентировочных цен.

Метод многоструйного моделирования (Multi Jet Modeling, MJM)

Принтеры, основанные на данной технологии, выпускаются компанией 3D Systems. В связи с патентными ограничениями есть и названия, используемые другими производителями принтеров: PolyJet (Photopolymer Jetting, компания Stratasys), DODJet (Drop-On-Demand Jet, компания Solidscape). Конечно, отличия не только в названиях, но базовые принципы похожи.

Процесс очень напоминает обычную струйную печать: материал подается через сопла малого диаметра, расположенные рядами на печатающей головке. Количество сопел может быть от нескольких штук до нескольких сотен. Конечно, материал не является жидким при комнатной температуре: сначала он нагревается до температуры плавления (как правило, не очень высокой), затем подается в головку, наносится послойно и застывает. Слои формируются перемещением головки в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение при переходе к следующему слою, как и в предыдущих случаях, обеспечивается опусканием рабочего стола. В варианте DODJet добавляется этап обработки слоя фрезерной головкой.

В качестве материала для MJM-принтеров используют пластики, фотополимеры, специальный воск, а также материалы для медицинских имплантов, зубных слепков и протезов. Возможна и комбинация разных материалов: в отличие от предыдущих двух технологий, выступающие под большим углом элементы моделей или горизонтальные перемычки во избежание провисаний требуют применения поддерживающих структур, которые при финишной обработке приходится удалять. Чтобы не делать это вручную, можно применить для поддержек материал с меньшей температурой плавления, чем для собственно модели, и потом удалить его расплавлением в специальной печи. Другой вариант - использование для поддержек материала, который удаляется растворением в специализированном растворе, а порой и просто в воде.

Использование фотополимера, как и в стереолитографии, потребует отверждения ультрафиолетом, поэтому напечатанный слой засвечивается УФ-лампой. Воск же затвердевает при естественном охлаждении. Конечно, восковые модели не отличаются особой прочностью, но их очень легко использовать при изготовлении форм для литья.

Как и в обычной струйной печати, использование материалов разного цвета позволит создавать за один цикл многоцветные модели, а смешение базовых цветов даст возможность получать множество оттенков. Кроме этого, можно сочетать в одной модели материалы с разными свойствами - например, твердые и эластичные.

Перейдем к примерам.

Компактный принтер Solidscape 3Z max при собственных размерах 56×50×42 см и весе 34 кг позволяет создавать модели размерами до 152×152×101 мм, обеспечивая разрешение 5000×5000 dpi (197×197 точек/мм) по осям X, Y и 8000 dpi (158 точек/мм) по оси Z. Его цена около $50 000, но в линейке 3Z есть и более дешевые модели.

В этих принтерах как раз и используется воск двух типов: более тугоплавкий (95–115 °С) для собственно моделей и легкоплавкий (50–72 °С) для поддерживающих структур, которые потом удаляются при низких температурах с помощью специального раствора.

Приблизительная стоимость: воск для моделей 3Z LabCast - $260–270 за 360 г, воск для поддержек $200–210 за 230 г. Как видите, к очень уж дешевым такие расходные материалы не отнесешь.

достижимы очень малая толщина слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi);
возможность многоцветной печати и сочетания материалов с разными свойствами;
принтеры могут быть достаточно компактными, особенно в сравнении с предыдущими двумя технологиями.

для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами требуются поддержки, которые приходится тем или иным способом удалять;
ограниченный выбор материалов для работы.

Послойное склеивание пленок (Laminated Object Manufacturing, LOM)

Тонкие листы материала раскраиваются лазерным лучом или специальным лезвием, а потом тем или иным способом соединяются между собой. Для создания 3D-моделей может использоваться не только пластик, но даже бумага, керамика или металл.

Поскольку разных моделей очень много, рассмотрим один очень характерный пример - цветной 3D-принтер Mcor IRIS, продемонстрированный компанией Mcor Technologies на выставке SolidWorks World 2013. Он использует в качестве материала самые обычные листы бумаги формата А4 или Letter плотностью 160 г/м², которые окрашиваются в необходимый цвет. Разрешение печати 5760×1440×508 точек на дюйм, а максимальный размер создаваемых объектов составляет 256×169×150 мм. При этом обеспечивается полноцветная печать с передачей более миллиона цветов.

На фото изображен 3D-принтер на подставке; габариты самого принтера 95×70×80 см, вес 160 кг. В подставке размером 116×72×94 см и весом еще 150 кг скрывается цветной 2D-принтер.

Создание модели ведется в несколько этапов: на первом пачка бумаги загружается в 2D-принтер и на каждом из листов в цвете печатается нужный слой.

Затем отпечатанные листы переносятся оператором в 3D-принтер, где специальным лезвием на каждом из них делается прорезь по границе нанесенного изображения, а потом листы склеиваются между собой. На третьем этапе оператор вручную удаляет лишнюю бумагу, не содержащую изображения, что для сложных моделей может занять немало времени.

Как вы уже поняли, в процессе работы получается довольно много отходов: если размер данного сечения модели гораздо меньше А4 или Letter, то остальная часть листа пойдет в корзину; помножьте на количество сечений и представьте, сколько бумаги будет выброшено.

Модели получаются очень впечатляющими и довольно прочными, а их себестоимость кажется копеечной - бумага ведь дешевая!

Но ведь потребуется еще и клей для соединения слоев (около $70 за 600 мл), и картриджи с красителями стандартных цветов CMYK (около $700 за набор из 4 картриджей по 320 мл или $195 за каждый картридж по отдельности), которых, по оценке производителя, хватает в среднем на 48 моделей. Получается не так и дешево, а цена самого аппарата впечатляет еще больше: на Западе упоминаются цены от $47 600, а на российском рынке предложения и вовсе начинаются от двух миллионов рублей.

Есть и естественное ограничение на толщину слоя, равную толщине листа бумаги. Это очень хорошо заметно на следующей модели:

На примере Mcor IRIS перечислим основные достоинства и недостатки, многие из которых присущи и другим принтерам, основанным на технологии LOM.

возможность полноцветной печати с высоким разрешением по осям X и Y;
доступность и относительная дешевизна главного расходного материала - бумаги;
можно создавать довольно большие модели;
для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами не требуется формирование поддерживающих структур.

крайне ограниченный набор материалов для создания моделей (в Mcor IRIS - только бумага), а отсюда и ограничения на прочностные и другие свойства создаваемых образцов;
толщина слоя всецело зависит от толщины используемого листового материала, из-за чего модель порой получается грубой, а механическая обработка для сглаживания возможна не всегда, поскольку может привести к расслоению;
наличие немалого количества отходов, причем если горизонтальные проекции модели гораздо меньше листа А4/Letter, то отходов получается очень много; избежать этого можно одновременным изготовлением нескольких небольших образцов;
всегда требуется финишная обработка, связанная с удалением лишнего материала, она лишь может быть проще или сложнее в зависимости от свойств модели; причем если модель имеет полости с ограниченным доступом, то удалить из них лишнее может быть попросту невозможно.

Раз уж мы упомянули полноцветную печать, которая в технологии LOM хоть и реализуется, но всё же на основе обычной 2D-печати, нельзя не рассказать и о трехмерной печати из гипсового композита.

3D Printing (3DP, 3D-печать)

Как и в SLS, основой для будущего объекта является порошок (гипсовый композит), только он не спекается, а послойно склеивается введением связующего вещества.

Для построения очередного слоя модели по всей площади рабочего стола валиком наносится и разравнивается порошок, в который печатающей головкой, напоминающей струйную, по форме данного сечения модели вводится жидкий клей. Кстати: есть упоминания, что головки разрабатываются Hewlett-Packard. Затем стол с уже созданными слоями опускается и процесс повторяется нужное количество раз, а по окончании происходит нагрев для ускорения высыхания клеящего состава. После этого лишний порошок, оставшийся несвязанным, удаляется: в основном автоматически, возвращаясь в бункер для последующей работы, а из сложнодоступных мест - струей воздуха (станция очистки может быть встроена в дорогие модели) или кистью.

Но в получившейся модели остаются поры - пространство между частичками порошка, а поверхность получается шероховатой. Для придания нужных свойств (гладкости, прочности, малой гигроскопичности) ее нужно обработать специальным составом-закрепителем. В его качестве может выступать раствор английской соли (гептагидрат сульфата магния), воск, парафин, цианокрилаты и эпоксидная смола; часть из них можно наносить простым опрыскиванием или погружением, а для других используются специальные станции.

Откуда же берется полноцветная печать, если порошок один и тот же? А очень просто: красители вводятся в связующее вещество, и их смешение позволяет получить от 64 до 390 000 оттенков. Причем некоторые типы закрепителей позволяют сделать цвета очень яркими.

Такой способ используется в серии ZPrinter, выпускавшейся компанией ZCorporation, которая в 2011 году была поглощена 3D Systems, после чего серия получила название ProJet и несколько иной внешний вид. В серию входят и цветные, и монохромные принтеры с размерами рабочих камер до 508×381×229 мм. Толщину слоя можно задавать ступенями от 0,089 до 0,125 мм, а скорость работы может достигать 2700 см³/час.

Младшая модель серии, принтер ProJet 160 (ZPrinter 150), в России продается по цене свыше 700 тысяч рублей, имеет рабочую камеру 236×185×127 мм, единственно возможную толщину слоя 0,1 мм. Габариты аппарата 740×790×1400 мм при весе 165 кг.

Обеспечиваемое этим аппаратом разрешение составляет 300 dpi по оси X, 450 dpi по Y и 250 dpi (т. е. 0,1 мм) по Z. Печатающая головка имеет 304 сопла, а скорость работы 870 см³/час. Поскольку используется композитный гипсовый материал белого цвета, то и модели получаются белыми; возможности цветной печати нет. Восьмикилограммовое ведро порошка стоит около $1000, а набор 2×1 л прозрачной связующей жидкости $600.

Самый дешевый цветной принтер серии, ProJet 260C (ZPrinter 250), обойдется уже примерно в 1,2–1,3 миллиона рублей. Параметры его примерно те же, что и у ProJet 160, а количество доступных цветов ограничено 64. Цена на младший из полноцветных принтеров, ProJet 460Plus (ZPrinter 450), почти вдвое выше.

позволяет создавать очень сложные модели без поддерживающих структур;
возможность полноцветной печати с высоким разрешением.

крайне ограниченное количество материалов, пригодных для использования;
в ряде случаев требуется финишная обработка, особенно когда нельзя мириться с шероховатой поверхностью;
малая прочность получившихся образцов даже после обработки закрепляющим составом.

Теперь переходим к технологии, которая в последнее время стала наиболее распространенной, и рассмотрим ее наиболее подробно, поскольку в последующих обзорах мы будем иметь дело с принтерами на основе именно этой технологии.

Послойное наплавление (Fusing Deposition Modeling, FDM)

Как и во всех остальных рассмотренных нами технологиях, модель при FDM-печати создается послойно. Для изготовления очередного слоя термопластичный материал нагревается в печатающей головке до полужидкого состояния и выдавливается в виде нити через сопло с отверстием малого диаметра, оседая на поверхности рабочего стола (для первого слоя) или на предыдущем слое, соединяясь с ним. Головка перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно «рисует» нужный слой - контуры и заполнение между ними, после чего происходит вертикальное перемещение (чаще всего опусканием стола, но есть модели, в которых приподнимается головка) на толщину слоя и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет построена полностью.

В качестве расходного материала чаще всего используются различные пластики, хотя есть и модели, позволяющие работать с другими материалами - оловом, сплавами металлов с невысокой температурой плавления и даже шоколадом.

Минусы, присущие данной методике, очевидны:

невысокая скорость работы (но, собственно, очень уж высокой скоростью не могут похвастать и другие технологии: для построения крупных и сложных моделей требуются многие часы и даже десятки часов);
небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к более или менее заметной слоистости поверхности изготовленной модели;
проблемы с фиксацией модели на рабочем столе (первый слой должен прилипнуть к поверхности платформы, но так, чтобы готовую модель можно было снять); их пытаются решить разными способами - подогревом рабочего стола, нанесением на него различных покрытий, однако совсем и всегда избежать не получается;
для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять, но даже с учетом этого некоторые модели попросту невозможно сделать на FDM-принтере за один цикл, и приходится разбивать их на детали с последующим соединением склейкой или другим способом.

Таким образом, для очень многих образцов, изготовленных по технологии FDM, потребуется более или менее сложная финишная обработка, которую сложно или невозможно механизировать, поэтому в основном она производится вручную.

Есть и менее очевидные недостатки, например, зависимость прочности от направления, в котором прикладывается усилие. Так, можно сделать образец достаточно прочным на сжатие в направлении, перпендикулярном расположению слоев, но вот на скручивание он будет гораздо менее прочным: возможен разрыв по границе слоев.

Другой момент в той или иной мере присущ любой технологии, связанной с нагревом: это термоусадка, которая приводит к изменению размеров образца после остывания. Конечно, тут много зависит от свойств используемого материала, но порой нельзя примириться даже с изменениями в несколько десятых долей процента.

Далее: технология может показаться безотходной только на первый взгляд. И речь не только о поддерживающих структурах в сложных моделях, немало пластика уходит в отходы даже у опытного оператора при подборе оптимального для конкретной модели режима печати.

Почему же при таком количестве проблем эта технология сейчас стала столь популярной?

Главная и определяющая причина - цена как на сами принтеры, так и на расходные материалы к ним. Первым важным толчком в процессе продвижения FDM-принтеров «в массы» стало истечение в 2009 году срока действия патентов, вследствие чего за пять лет цены на такие принтеры снизились более чем на порядок, а если рассмотреть крайности (самые дорогие до 2009 года и самые дешевые сегодня), то и на два порядка: цена на самые дешевые принтеры китайского производства сегодня составляет всего 300–400 долларов - правда, скорее всего покупатель в них моментально разочаруется. Более приличные принтеры начального уровня сейчас имеют цену уже ближе к $1200–1500.

Вторым немаловажным фактором стало появление проекта RepRap , или Replicating Rapid Prototyper - самовоспроизводящийся механизм быстрого прототипирования. Самовоспроизведение касается изготовления на уже сделанном принтере частей для другого подобного принтера - конечно, не всех, а лишь тех, которые можно создать в рамках данной технологии, всё прочее приходится покупать. И оно не было самоцелью проекта: главной задачей стало создание максимально дешевых моделей принтеров, доступных даже частным энтузиастам, не обремененным излишком денег, но желающим попробовать свои силы в 3D-печати. Более того, самовоспроизводящимися (в сколь-нибудь заметной части всех деталей) были и есть далеко не все прототипы, созданные в рамках RepRap.

Мы не будем заниматься подробным описанием этапов становления проекта RepRap, разбором достоинств и недостатков таких прототипов, как Darwin, Mendel, Prusa Mendel, Huxley. Тема очень обширна, чтобы ее можно было рассмотреть в рамках данного обзора, и мы приводим эти названия только как ключевые слова для поиска информации, которой в интернете очень много.

Конечно, создаваемые таким образом принтеры чаще всего далеки от совершенства даже в рамках технологии FDM, но они позволяют с минимальными финансовыми затратами создать вполне работоспособный аппарат. Нужно отметить: сегодня вовсе не обязательно искать обладателя принтера, чтобы напечатать возможные детали, и бегать по магазинам в поисках остального; предлагаются полные наборы для самостоятельной сборки принтера, так называемые DIY kits (от «Do It Yourself» - сделай это сам), которые позволяют и заметно сэкономить, и избежать лишней беготни и хлопот, да к тому же содержат подробные инструкции по сборке. Но есть простор и для тех, кто не хочет замыкаться в рамки готовых конструкций и желает внести в них что-то свое: есть масса предложений по любым отдельным комплектующим для подобных принтеров.

Еще одна положительная сторона развития проекта RepRap - появление и совершенствование различного программного обеспечения для работы с подобными 3D-принтерами, причем распространяемого свободно. В этом немаловажное отличие от аппаратов, выпускаемых именитыми производителями, которые работают только с собственным ПО.

В принципе, проект не замыкается на технологии FDM, но пока именно она является наиболее доступной, равно как наиболее доступным материалом является пластиковая нить, которая и используется в подавляющем большинстве принтеров, создаваемых на базе разработок RepRap.

Широкое распространение FDM-принтеров привело к увеличению спроса на расходные материалы к ним; предложение не могло не последовать за спросом, и произошло то же самое, что и с самими принтерами: цены рухнули. Если на старых интернет-страницах, посвященных FDM-технологиям, встречаются упоминания цен на уровне 2-3 и даже более сотен евро за килограмм пластиковой нити, то сейчас повсеместно речь идет о десятках евро, и лишь на новые материалы с необычными свойствами цена может достигать сотни долларов или евро за килограмм. Правда, если раньше продавались в основном «фирменные» материалы, то теперь зачастую предлагается нить непонятного происхождения и неопределенного качества, но это неизбежно сопутствует популярности.

Помимо цены, у FDM-принтеров есть другие достоинства, связанные с возможностями технологии. Так, очень легко оснастить принтер второй печатающей головкой, которая может подавать нить из легко удаляемого материала для создании поддержек в сложных моделях. Внеся краситель при изготовлении пластиковой нити, можно получать различные, очень яркие цвета.

Да и сам материал нити может иметь самые разные свойства, поэтому рассмотрим вкратце наиболее распространенные типы.

Пластиковая нить может быть двух стандартных диаметров: 1,75 и 3 мм. Естественно, они не взаимозаменяемы, и выбор нужного диаметра следует уточнять по спецификации принтера. Поставляется пластик на катушках и измеряется не длиной, а весом. Для FDM-принтеров некоторых производителей (например, CubeX от 3D Systems) нужно покупать не катушки, а специальные картриджи с нитью, которые в пересчете на килограмм обходятся заметно дороже, но производитель гарантирует качество материала - словом, всё точно так, как в обычных принтерах: «оригинальная» и «совместимая» расходка.

Для каждого типа материала должны быть известны рабочая температура, до которой должен нагреваться материал в печатающей головке, и температура подогрева рабочего стола (платформы) для лучшего прилипания первого слоя. Эти величины не всегда одинаковы для любого образца нити, сделанной из материала одного типа, поэтому мы указываем примерный диапазон; по идее, оптимальные температуры должны указываться на этикетке катушки или в сопроводительном документе, но это происходит далеко не всегда, и зачастую их приходится подбирать экспериментально.

Основными материалами для FDM-принтеров являются пластики ABS и PLA.

ABS (акрилонитрилбутадиенстирол, АБС) - это ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом. Сырьем для его производства является нефть. Этот пластик непрозрачный, легко окрашивается в разные цвета.

Достоинства ABS:

долговечность,
ударопрочность и относительная эластичность,
нетоксичность,
влаго- и маслостойкость,
стойкость к щелочам и кислотам,
широкий диапазон эксплуатационных температур: от −40 °С до +90 °С, у модифицированных марок до 103–113 °С.

К достоинствам следует отнести невысокую стоимость, растворимость в ацетоне (что позволяет не только склеивать детали из ABS, но также сглаживать с помощью ацетона неровную поверхность). ABS более жесткий, чем PLA, и потому сохраняет форму при больших нагрузках.

Из недостатков надо упомянуть следующие:

несовместимость с пищевыми продуктами, особенно горячими, поскольку при определенных условиях (высокой температуре) может выделять циановодород,
неустойчивость к ультрафиолетовому излучению (т. е. не любит прямых солнечных лучей),
термоусадка заметно выше, чем у PLA,
более хрупкий, чем PLA.

Рабочая температура выше, чем у PLA, и находится в диапазоне 210–270 °С. При работе с нитью ABS ощущается слабый запах. Кроме того, для лучшего прилипания первого слоя модели к рабочему столу требуется подогрев стола примерно до 110 градусов.

Про цену: встречаются упоминания $30–40 за килограммовую катушку. Реально цены в России начинаются от 1500 (мелкий опт) до 2000 и более (розница) рублей за килограмм, если речь идет о китайских производителях. ABS-нить от известных фирм, изготовленная в США, может быть в полтора-два раза дороже.

PLA (полилактид, ПЛА) - биоразлагаемый, биосовместимый полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат возобновляемые ресурсы - например, кукуруза или сахарный тростник, поэтому материал является нетоксичным и может применяться для производства экологически чистой упаковки и одноразовой посуды, а также в медицине и в средствах личной гигиены.

Сразу отметим: биоразлагаемость вовсе не синоним крайней недолговечности, изделия из PLA вполне жизнеспособны.

Достоинства:

низкий коэффициент трения, делающий его пригодным для изготовления подшипников скольжения,
малая термоусадка, особенно в сравнении с ABS,
менее хрупкий и более вязкий, чем ABS: при одинаковых нагрузках скорее согнется, чем сломается.

Рабочая температура ниже, чем у ABS: около 180–190 °С. Подогрев рабочего стола не является обязательным, но желательно всё же нагревать стол до 50–60 °С.

Недостатки: один из них мы уже упомянули - меньшую, чем у ABS, долговечность. Кроме того, PLA более гигроскопичен, и даже при хранении требует соблюдения режима влажности, иначе может начаться расслоение материала и появление в нем пузырьков, что приведет к дефектам при изготовлении модели. К тому же PLA зачастую немного дороже ABS, хотя цена сильно зависит от производителя и продавца.

Ацетон практически не оказывает воздействия на PLA, его приходится склеивать и обрабатывать дихлорэтаном, хлороформом или другими хлорированными углеводородами, что требует повышенных мер безопасности при работе (но, конечно, и ацетон в этом плане не подарок).

Другие материалы для FDM-печати распространены гораздо меньше.

HIPS (High-impact Polystyrene, ударопрочный полистирол) - материал непрозрачный, жесткий, твердый, стойкий к ударным воздействиям, к морозу и перепадам температур. Растворяется в лимонене - естественном растворителе, извлекаемом из цитрусовых, и потому может использоваться для создания поддерживающих структур, которые не придется удалять механически.

Рабочая температура около 230 °С, цена на 30–50% выше, чем у ABS.

Нейлон легкий, гибкий, устойчивый к химическому воздействию. Детали из него обладают очень низким поверхностным трением.

Рабочая температура выше, чем у PLA: около 240–250 °С. Правда, при этом не выделяется паров или запахов. Стоимость нейлоновой нити в два раза больше, чем PLA или ABS.

PC (Polycarbonate, поликарбонат) - довольно твёрдый полимер, сохраняющий свои свойства в диапазоне температур от −40 °С до 120 °С. Обладает высоким светопропусканием и часто используется в качестве заменителя стекла, а поскольку еще имеет меньшую удельную массу и более высокий коэффициент преломления, то прекрасно подходит для производства линз. Полная биологическая инертность позволяет делать из него даже контактные линзы. Кроме того, из него изготавливают компакт-диски.

Температура печати 260–300 °С. В виде нити для FDM-печати пока выпускается мало, поэтому цена втрое выше, чем у ABS.

Похожими оптическими свойствами обладает PETT (Polyethylene terephthalate, полиэтилентерефталат). Модели из него получаются очень прочными, поскольку слои расплавленного материала отлично склеиваются. Рабочая температура 210–225 °С, стол желательно подогреть до 50–80 °С. Цена около 4500–5000 рублей за килограмм.

Под аббревиатурой PVA (ПВА) могут скрываться два типа материала: поливинилацетат (Polyvinyl Acetate, PVAc) и поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol, PVAl). По химической формуле они довольно похожи, только в поливиниловом спирте отсутствуют ацетатные группы, и свойства их тоже совпадают - во многом, но не во всем. К сожалению, продавцы зачастую указывают просто «PVA (ПВА)», не делая различий, поэтому мы можем привести только обобщенную примерную цену: 4500–5000 рублей за килограмм нити.

Поливиниловый спирт PVAl требует рабочей температуры около 180–200 °С, дальнейшее ее повышение нежелательно - может начаться пиролиз (термическое разложение). Кроме того, материал очень гигроскопичен, он активно поглощает влагу из воздуха, что создает проблемы и при хранении, и при печати, особенно если диаметр нити 1,75 мм. С другой стороны, это же свойство является очень полезным: поддержки, сделанные из PVAl, растворяются в холодной воде.

Поливинилацетат PVAc всем хорошо известен как составная часть клея ПВА, представляющего собой водную эмульсию этого вещества. Для него требуется немного более низкая рабочая температура: 160–170 градусов. Он также хорошо растворяется в воде.

Все время появляются новые материалы с оригинальными свойствами. Правда, цена на них в первое время может быть очень высокой.

Например, эластомер NinjaFlex позволяет создавать эластичные изделия. Цена около 7500–8000 рублей за килограмм, рабочая температура 210–225 °С, температура стола может быть комнатной или слегка повышенной, до 35–40 °С.

Недавно появившийся материал Laywoo-D3 интересен прежде всего тем, что изделия из него по фактуре напоминают дерево и даже пахнут, как деревянные. Дело в том, что его как раз и делают на основе мелких частиц дерева и связующего полимера. Рабочие температуры могут быть в диапазоне 175–250 °С, подогрев стола не требуется. Причем цвет после застывания будет зависеть от выбранной температуры: чем она выше, тем темнее. Меняя температуру во время печати, можно даже получить подобие годовых колец, как на натуральном дереве. Конечно, и цена на этот материал немалая - около 10 тысяч рублей за килограмм.

Другой экзотический материал, Laybrick , содержит минеральные наполнители и позволяет имитировать изделия из песчаника. Рабочая температура находится в пределах 165–210 °С; на этот раз с повышением температуры можно получить более грубую поверхность для усиления эффекта имитации. Он также не требует подогрева стола, но по окончании печати следует выждать несколько часов, чтобы модель окончательно затвердела, и лишь потом снимать ее. Цена те же 10 тысяч рублей за килограмм.

Конечно, все указанные выше цены являются лишь ориентиром: они могут меняться как по прошествии времени, так и от продавца к продавцу, особенно если покупать не в России, а заказывать за рубежом.

Поскольку наш обзор рассчитан в основном на тех, кто недавно заинтересовался 3D-печатью и пока не имеет собственного опыта работы в этой сфере, отметим: лучше всего начинать с «курса молодого бойца», и даже порекомендуем (по ссылке можно скачать программу курсов и найти контактные координаты). Помимо рассказа о теоретических основах, каждому «курсанту» предоставляется возможность поработать на весьма неплохом FDM-принтере под руководством знающих специалистов. Конечно, курсы коммерческие, т. е. платные, но потраченные деньги быстро окупятся, поскольку вы получите знания о том, как избежать самых частых ошибок, и практический опыт, пусть и небольшой.

На этом мы завершаем обзор, чтобы вскоре перейти к другим аспектам 3D-печати и конкретным моделям принтеров.