За останнє десятиліття технологія 3D-друку стрімко перетворилася з цікавої експериментальної новинки на буденну реальність, що на диво швидко підкоряє позиції у різних галузях – від медичного протезування до будівництва, а також розповсюджується в аерокосмічній і оборонній промисловості.
Сьогодні на 3D-принтерах друкують деталі стрілецької зброї та навіть цілі ракетні двигуни. Вже існують кулінарні 3D-принтери, які пропонують меню з надрукованих бургерів, тістечок, веганських біфштексів та інших смаколиків.
Замість чорнила в картриджах таких агрегатів містяться різноманітні пластичні суміші з полімерів, крихточок металів, цементу або інших субстанцій, що у рідкому чи розплавленому стані під тиском подаються у форсунку. Відтак суміші наносяться шар за шаром і швидко застигають або ж спікаються лазером чи УФ-випромінюванням, втілюючи задум конструктора.
Утім, деякі матеріали, які не плавляться, а горять при високих температурах – технологія не дозволяє використати у принтері. До прикладу, неможливо надрукувати папір чи бавовняну тканину, або ж дерев’яну ложку. А от копію глиняного трипільського горщика чи бронзового скіфського меча – будь ласка.
ЕП підготувала огляд найбільш вражаючих проєктів, створених за допомогою 3D-друку в будівельній, космічній, харчовій та військовій індустріях.
Майбутнє за 3D-технологією: як працює 3D-друк
Динаміка стрімкої еволюції 3D-технологій у сфері будівництва вражає. За останні 10 років з’явилися нові матеріали, оптимізовані для 3D-будівництва, створено моделі будівельних принтерів, здатних зводити великі споруди зі складною геометрією.
За даними аналітиків індійської консалтингової компанії InsightAce Analytic, у 2023 році світовий ринок будівництва 3D-друку сягнув 7,6 млрд дол., а до 2031 року очікується зростання до 296,7 млрд дол., що відображає приголомшуючий сукупний річний темп зростання у 57,56 % з 2024 до 2031 року.
Тим часом дослідження ринку фахівцями фірми Polaris надає ще більш вражаючі цифри: прогнозується, що ринок 3D-друку зросте на 88,3% до 2032 року. На думку експертів, 3D-принтери не витіснять з ринку традиційні методи будівництва, але в найближчому майбутньому друковані будинки складатимуть найбільшу частку новобудов.
Кількість будівельників, залучених до зведення 3D-будинку, зведена до мінімуму. Зазвичай на будмайданчику приватного котеджу працює 3-4 людини: кваліфікований оператор 3D-принтера, бригадир, що стежить за процесом і кілька працівників для підготовки та завантаження суміші та інших допоміжних робіт. Сучасні будівельні 3D-принтери здатні звести одноповерхову садибу дуже швидко, в межах 36 годин.
Згідно з проєктом у стінах будинку залишаються віконні та дверні отвори, прорізи для труб і дротів. Але встановлювати інженерні комунікації по-старому доведеться сантехнікам та електрикам, це ж стосується і зведення даху, хіба що за виключенням купольної споруди.
Вартість одноповерхового будинку, створеного промисловим 3D-принтером, стартує приблизно від 10 тис. дол. Подальше встановлення вікон і дверей, водогонів, каналізації та електромережі, а також настилання даху, підлоги та внутрішнє оздоблення значно підвищує ціну котеджу. До суми слід додати вартість дизайну інтер’єрів, підключення оселі до комунальних інженерних мереж, впорядкування території. У підсумку будинок “під ключ” коштує від 300 тис. дол..
Водночас для створення бажаних тривимірних предметів не обов’язково купувати дороге 3D-обладнання і не менш коштовні суміші. У світі вже існує низка компаній, що виконують 3D-друк предметів, деталей, запчастин будь-яких конфігурацій на замовлення. Наприклад, такі послуги пропонує нідерландська компанія Parts on Demand, розташована в Утрехті.
Фірма володіє парком найсучасніших високошвидкісних промислових 3D-принтерів, які дозволяють виготовляти серії моделей від 2 до 100 000 екземплярів. Для втілення проєктів пропонується широкий вибір високоякісних матеріалів від пластмас до металів.
Кожен з них підходить для різних застосувань і забезпечать будь-які параметри: еластичність і гнучкість, жорсткість і міцність, герметичну водонепроникність або термостійкість. Існує також кілька видів спеціальних антибактеріальних покриттів виробів, призначених для використання у харчовій промисловості чи медичній галузі.
Процес замовлення дуже простий – на електронну пошту компанії треба надіслати 3D-файл з вашим проєктом у форматі STEP file. Ці файли можна створити за допомогою таких програм, як Blender, Google SketchUp або інших програмних пакетів 3D/CAD.
Варто проконсультуватись із тамтешнім спеціалістом, потім обрати матеріал, колір, оздоблення, а також вказати, чи потрібна постобробка. Вартість виробу можна приблизно обрахувати на спеціальному онлайн-калькуляторі, компанія стверджує – ціна не перевищуватиме 0,10 євро за кубічний сантиметр.
Перша офісна 3D-будівля в Європі
Перша в Європі офісна будівля, надрукована 3D-принтером, створена у вересні 2022 року в австрійському містечку Гауслайтен. Одноповерховий офіс площею 125 кв. м зведено будівельним принтером BOD2 з патентованої бетонної суміші, що швидко застигає. Рухоме сопло спиралося на 6 металевих риштувань, які встановили по периметру майбутньої будівлі.
Цей комп’ютеризований механізм від компанії PERI укладає суміш зі швидкістю 1 метр на секунду, тож каркас будівлі було надруковано лише за 45 годин.
Будівлі надано привабливої форми листка конюшини з округлими кутами. Світло-сірі фасади не потребують додаткового оздоблення і демонструють акуратні шари бетону, схожі на складені стопкою корабельні канати.
Вілла у Саудівській Аравії
У листопаді 2022 компанія Dar Al Arkan за допомогою гігантського 3D-принтера COBOD звела у Саудівській Аравії триповерхову віллу, яку Книга рекордів Гіннеса визнала найвищою 3D-спорудою на той час.
Будинок висотою 9,9 м і площею 345 кв. м надруковано за 26 днів, водночас бетонний розчин, створений із місцевих матеріалів – обійшовся недорого, близько $11 тис.
У внутрішніх приміщеннях розмістився просторий хол і вітальня з балконом, 3 спальні, кухня, ванні кімнати, туалети, кімната покоївки та підсобні комори.
Цікаво, що будівництво велося в Аравійській пустелі, де температура повітря сягала + 40 °C, але екстремальні погодні умови не вплинули на якість бетонного розчину. У самому ж будинку панує комфортний клімат, адже між подвійними стінами прокладено теплоізоляцію.
Така енергозберігаюча конструкція заощаджуватиме господарям оселі до 30 % витрат на електроенергію для кондиціонерів. На даху влаштована власна електростанція з сонячних батарей.
3D-технологія створює доступне житло у США
У лютому 2024 року компанія Citizen Robotics виставила на продаж сімейний будинок, надрукований на 3D-принтері в Детройті (Мічиган). Площа оселі – 91,78 кв. м, котедж містить 2 спальні, ванну кімнату, вітальню, кухню. Невдовзі будинок було продано за 224 500 дол..
Провідна на американському ринку 3D-будівництва компанія ICON вже побудувала кілька житлових будинків за допомогою колосального роботизованого принтера Vulcan. Серед них – перший у США котедж Chicon House, надрукований за 47 годин в місті Остін (Техас).
У 2023 році ICON оголосила глобальний архітектурний конкурс Initiative 99, у якому взяли участь архітектори та дизайнери з 60 країн світу. Мета конкурсу – створення найкращих проєктів 3D-будинків вартістю 99 тис. дол., або менше, доступних для малозабезпечених сімей з низьким рівнем доходів і безхатьків.
У березні 2024 року компанія підбила підсумки, нагородила переможців призом в 1 млн дол., і розпочала реалізацію кращих проєктів. Першу премію у відкритій категорії отримала американська студія Guerin Glass Architects.
Наразі 3D-принтери Vulcan зайняті на будівництві котеджного містечка Wolf Ranch зі 100 будинків, що зводяться на мальовничому узбережжі річки Сан-Габріель у штаті Техас, неподалік від міста Джорджтаун.
Стіни споруд друкуються з фірмового бетону Lavacrete, стійкого до коливань температури, води, цвілі, пожеж й навіть термітів. На дахах монтуються фотоелектричні сонячні панелі, що забезпечать оселі електроенергією.
Біла вежа у швейцарських Альпах
Технологія тривимірного друку подарувала зодчим свободу від дизайнерських обмежень. Відтепер проєктувальникам доступні найскладніші форми монолітної споруди, що фантастично розширює естетичну палітру будівель і можливості втілення найсміливіших ідей.
Такою нагодою сповна скористувалися швейцарські архітектори, IT-інженери та програмісти, які об’єдналися навколо проєкту Tor Alva.
Роботи розпочалися в лютому 2024-го в лабораторіях Федерального технічного університету Цюриха, де 3D-принтер за 9 000 годин надрукував з білосніжного бетону збірні елементи 30-метрової вежі, яку уже зводять у гірському селі Мулегнс, що біля перевалу Джульєр у Швейцарських Альпах, на південному сході країни.
Цікаво, що у цьому колись густонаселеному селі тепер залишилося усього 16 мешканців, і проєкт Tor Alva націлений на пожвавлення туризму в цьому віддаленому і нині занепалому гірському регіоні з неймовірними краєвидами.
Ажурна конструкція круглої Білої вежі складається зі 102-х елегантно вигнутих колон, що нагадують перехрещені слонячі бивні. Вони складають 32 монолітних елементи, їх габарити розраховані на доставку автотранспортом. Блоки вежі монтуються на місці за допомогою міцних болтів.
Башта має 5 рівнів, поєднаних гвинтовими сходами. На останньому поверсі влаштований театральний майданчик на 45 глядачів і сценою у центрі, звідси відкривається чудова кругова панорама Альп. Завершує споруду елегантний ребристий купол.
Артоб'єкт спроєктований у переосмисленому стилі бароко, кожна колона оздоблена індивідуальним об’ємним візерунком. Крім того, Біла вежа стала першою у світі бетонною 3D-спорудою, в тіло якої вмонтовано сталеві стрижні.
“До цього часу металева арматура ніколи не використовувалася у бетонних спорудах, надрукованих тривимірним принтером”, – прокоментував це досягнення архітектор Майкл Гансмайєр на телеканалі Euronews. – “Нам уперше вдалося поєднати арматуру з процесом екструзії бетону із сопла принтера. Відтепер ми здатні зводити дуже високі та надійні 3D-конструкції».
Після завершення монтажу елементів 30-метрова Біла вежа стане найвищою у світі 3D-спорудою, зведеною з армованого бетону.
Житло для невибагливих романтиків
Тим часом стартап 3DCP Group з Данії надрукував у містечку Хостелбро найменший у Європі житловий будинок трикутної форми площею 36,97 кв. м. Ця крихітна оселя, що отримала назву House 1.0, побудована з дешевих матеріалів і з найменшими витратами на виробництво.
Архітектор Себастьян Арістотеліс, натхненний невибагливим студентським життям, сказав, що простір у мінібудинку спланований дуже економно, але зручно, де ефективно використано кожен метр. Тут є вітальня, кухня, а спальня в стилі лофт розташована на антресолі над ванною.
“Нашим завданням було спроєктувати невелике житло для студентів, яке мало містити усі функціональні можливості звичайного будинку, але було б настільки дешевим, що винайняти його міг навіть студент”, – пояснив архітектор.
Генеральний директор 3DCP Group Міккель Бріх додав: “Інноваційні технології 3D-друку справді кардинально змінюють правила побудови, оскільки вони втілюють в життя нову архітектуру, яка ще вчора була б неможливою за допомогою традиційних методів будівництва”.
Місячний модуль на Землі
Дизайнери та архітектори данської компанії Saga Spase Architects надрукували повнорозмірний прототип самодостатнього 3D-модуля місячного поселення, що має назву FLEXHab. Це затишне і багатофункціональне місце існування людей, призначене для підготовки у Європейському космічному агентстві астронавтів місії Artemis – амбітної програми повернення на Місяць і всебічного дослідження супутника Землі.
Футуристичний фасад споруди надруковано з полімеру, армованого скловолокном. Діаметр циліндричного модуля – 4 м, довжина – 13 м, він розрахований на чотири особи. Вихід здійснюється через ізольований від зовнішнього середовища шлюз, де змодельований процес декомпресії, тут зберігаються скафандри, інструменти.
Основний об’єм модуля відведено під лабораторний блок з науковим обладнанням і терміналом зв’язку. У розпорядженні астронавтів 4 компактних капсули-спальні з телевізорами, душ, умивальник, туалет, шафи для зберігання особистих речей.
Камбуз – місце відпочинку екіпажу, де є добре обладнана кухня, обідній стіл і лави, обтягнуті імітованою веганською замшею. Тут же розташований невеликий зал зі спортивними тренажерами. У широкому вікні відображається місячний пейзаж, створений за допомогою анімації. Над горизонтом серед зірок видно блакитний диск Землі.
Щоб мешканці відчували домашній затишок і комфорт, в оформленні інтер’єрів подекуди використано текстиль і елементи з імітацією деревини. Усі кімнати обладнано циркадним освітленням та системами комп’ютерного клімат-контролю.
3D-принтери Міжнародної космічної станції
Ще у 2014 році інженери NASA відправили на Міжнародні космічну станцію (МКС) перший 3D-принтер, здатний працювати в умовах невагомості. Прилад функціонував в експериментальному режимі, буквально кожен його рух контролювався наземними службами спостереження, поповнюючи скарбничку досвіду об’ємного друку на орбіті.
3D-виробництво в позаземному просторі – набагато складніше, аніж на Землі, головна проблема – мікрогравітація, або ж відсутність гравітації взагалі. Зникнення сили тяжіння створює абсолютно інші умови для процесу.
До прикладу, осадження розплавленого металу ті інших субстанцій відбувається непередбачувано, і це порушує задану форму і структуру, впливає на якість виробу. Тож інженерам довелося винайти нові технології, щоб адаптувати процес 3D-друку в цих неймовірних умовах.
У січні 2024-го парк обладнання МКС поповнився принтером, що може друкувати металеві деталі, його спроєктували фахівці аерокосмічного консорціуму Airbus Defense & Space і французької компанії AddUp.
Прилад встановили у лабораторному модулі Columbus, де й тривало його шестимісячне тестування. І ось, у серпні 2024-го стався технологічний прорив: астронавти Суніті Вільямс і Жаннет Еппс вперше в історії надрукували у позаземному просторі тривимірну деталь з неіржавіючої сталі.
Потужний лазер з температурою променя 1 200 °C розплавляв металевий дріт, а форсунка наносила розпечений метал тонкими шарами на рухому пластину. Процес відбувався у герметичному середовищі, наповненому азотом, щоб запобігли окисленню метала та убезпечити модуль від пожежі.
Потім дослідники відновили нормальну атмосферу в корпусі принтера і дістали охололу деталь. Ця проривна подія прокладає шлях до виробництва в космосі запасних частин для ремонту на орбіті, та навіть цілих конструкцій, які наразі доводиться доставляти з Землі.
Надруковані страви
Технології 3D-друку обіцяють революційні зміни у харчовій індустрії, проте ця сфера дуже делікатна, тож друкована їжа досі не набула широкого розповсюдження і все ще перебуває на експериментальній стадії. Перш за все технології друку харчів зацікавили космічні агентства, що наразі планують місії на Місяць або Марс, саме вони й розпочали дослідження ще з 2004 року. Для виготовлення 3D-страв тестуються різні технології: екструзійний друк, лазерне спікання, струменеве сполучення тощо.
Провідні позиції у розробці 3D-їжі належать Сполученим Штатам. У 2023 році розмір ринку 3D-друку харчових продуктів у США оцінювався в 191,4 млн дол., і очікується, що до 2034 року він зросте до 413 млн дол., зростаючи на 7,22% у середньому з 2024 по 2034 рік.
Проривні дослідження увінчалися успіхом і в інших країнах. Так, японський стартап Open Mills розробив технологію друку суші, а у німецьких супермаркетах мережі REWE у 2023 році з’явилася перша партія принтованого їстівного продукту – рослинне філе копченого лосося від компанії Revo Foods.
Веганський "лосось" розійшовся за кілька днів за ціною 7 євро за упаковку вагою 130 грамів. Відгуки покупців в мережі Instagram були переважно схвальними, але були й інші коментарі, на кшталт "навіщо я буду купувати підробленого лосося дорожче, ніж справжнього?". Генеральний директор Revo Foods Робін Сімса заявив виданню Business Insider, що ціна значно впаде, коли компанія вироблятиме альтернативний морепродукт у промислових масштабах.
У 2022 році ізраїльський стартап SavorEat представив надруковані на 3D-принтері бургери на рослинній основі. Ці продукти є кошерними, веганськими та не містять глютену, пропонуючи унікальну та інклюзивну альтернативу на ринку харчових продуктів рослинного походження.
З 2021 року NASA співпрацює з корпорацією Systems & Materials Research Corporation (SMRC) для створення харчових 3D-принтерів і продуктів для астронавтів у космосі.
Компанія SMRC розробила систему друку піци, використовуючи багаті поживними речовинами порошкоподібні продукти, що дозволяє автоматизувати виробництво їжі в космосі.
Розумні принтери можуть регулювати вміст білків, вітамінів, мінералів, цукру та інших складників у сумішах для виготовлення їжі, що відповідає стандартам харчової промисловості, а комп’ютерні програми з ШІ дозволяють виготовляти продукти з індивідуальними дієтичними властивостями.
3D-споруди в армії
Технології 3D-будівництва вже застосовуються у військовій індустрії, адже принтери здатні швидко звести бетонні бункери, приміщення ремонтних майстерень, майданчики для пуску ракет, різноманітні укріплення та укриття.
Приміщення обладнане спальними місцями, кімнатою для збереження зброї, гігієнічним блоком, зоною відпочинку. Генерал-лейтенант Дуг Габрам прокоментував: “Зведення об’єктів військової інфраструктури за допомогою цієї передової технології значно заощаджує витрати на робочу силу і матеріали, скорочує час планування та пришвидшує будівництво”.
У цьому ж році на військовій базі морської піхоти США Camp Pendleton, що у Каліфорнії, за три дні надрукували міцний бетонний міст через широкий рівчак. Процес розпочався зі сканування ландшафту лідаром, далі отримані дані надійшли на комп’ютер будівельного 3D-принтера, який створив оптимальний дизайн переходу і програму його друку.
“Міст обійшовся приблизно у $1 тис. і був зведений принтером за 72 години”, – сказав офіцер будівельного батальйону Ерік Сетерзвейт. – “Подібні мости, які ми зводили в Афганістані, будувалися 2 тижні та вартували $75 тис.”.
Нова технологія дозволяє швидко і дешево зводити такі мости не лише для тактичних потреб армії, але й для порятунку людей у зонах стихійних лих, де зруйновані шляхи сполучення.
Запчастини для української бронетехніки
У військовому контексті 3D-друк має величезний потенціал для скорочення ланцюжків постачання у критичних умовах. Україна отримала масштабний парк військової техніки з десятків країн, усі ці машини, самохідні гармати, танки потребують технічного обслуговування і періодичного ремонту. Багато з них досить застарілі, і запчастини для них давно не виробляються.
До прикладу, Австралія надіслала до Збройних сил України три десятки бронетранспортерів M113, створених близько 40 років тому. Деякі їхні вузли несумісні з сучасними модернізованими моделями. Тому у 2023 році австралійська компанія SPEED3D надала ЗСУ сім принтерів WarpSPEED3D, що здатні друкувати потрібні деталі з металу вагою до 40 кг.
Принтер досить компактний, його можна встановити на вантажівці й оперативно підвозити до прифронтових польових ремонтних майстерень. Австралійські фахівці 3D-друку організували навчання військових техніків ЗСУ на базі у Польщі.
Ще один яскравий приклад використання 3D-принтерів на фронті – виробництво нестандартних інструментів для ремонту американської техніки. В США традиційно користуються англійською системою мір – так званою “імперською”. Тож ремонтникам танків Abrams або бойових машин піхоти Bradley може знадобитися, скажімо, півдюймовий гайковий ключ (12,7 мм), а у розпорядженні українських ремонтників зазвичай є лише метричні інструменти.
Щоб не чекати кілька тижнів на доставку замовлення з-за океану, наразі на фронті використовують 3D-принтери, здатні надрукувати з металу або міцного пластику інструмент американського стандарту за пару годин.
За повідомленням “Голосу Америки”, восени 2023 року Пентагон передав в розпорядження ЗСУ промислові 3D-принтери з пакетом програмного забезпечення і юридичним дозволом на друк запчастин до військової техніки.
Українська “ДрукАрмія”
З перших днів вторгнення Росії в Україну виникли сотні волонтерських організацій, що забезпечують ЗСУ вкрай необхідним обладнанням. Серед них є й волонтерська “ДрукАрмія”. У її лавах віртуально об’єдналися понад 1 700 власників побутових 3D-принтерів з різних міст країни.
Вони друкують нескладні, але вкрай важливі вироби: деталі для дронів, хвостовики-стабілізатори для скидів гранат, оболонки для мін і снарядів, окопні перископи тощо, загалом 126 виробів.
Один з них – захисний ковпачок для конекторів (проводів з роз’ємами), що поєднують блоки платформ супутникового зв’язку Starlink, якими бійці ЗСУ користуються на передовій. Ці вразливі провідники нерідко ламаються під час переміщення приладу в бойових умовах. Вартість такої запчастини на ринку – до 5 тис. грн.
Проте, вразливий конектор стає значно надійнішим, якщо захистити його дуже простим пластиковим ковпачком. З 850 грамів пластику, стандартного наповнення картриджа побутового 3D-принтера, можна надрукувати 77 комплектів ковпачків, які потенційно зберігають сотні тисяч гривень. Ці вироби вкупі вартують 350 гривень.
Ще одна розробка волонтерів – стартова платформа для дронів. Багато армійських пілотів БПЛА запускають оснащений вибухівкою дрон просто з рук, а це вкрай небезпечно. Пластиковий стартовий майданчик можна встановити на схилі та навіть у багнюці, і здійснити запуск дистанційно з безпечної відстані, повідомляється на сайті “ДрукАрмії”.