Наука | Калейдоскоп

3D-печать: как изменится производство?

За двадцать лет 3D-принтеры подешевели в 100 раз, а их количество выросло c единиц до сотен тысяч. Принтеры сегодня способны напечатать почти все, от промышленных деталей и медицинских протезов до одежды и украшений. Аналитики McKinsey относят 3D-печать к прорывным технологиям, которые в ближайшие 10 лет могут полностью изменить мир.

3D-принтеры - это устройства так называемого аддитивного производства, в котором процесс создания продукта, можно сказать, противоположен производству традиционному. Ведь как обычно производится потребительский товар, деталь механизма или инструмент? Так же, как скульптур создает свое творение: берется заготовка, например, кусок мрамора или стальная проволока, отсекается лишнее (эти методы называются субтрактивными) и получается продукт - статуя Давида или крестовая отвертка. При этом все, что мы отсекаем, летит в отходы.

Но можно поступать иначе: мысленно рассечь продукт, который мы еще только собираемся сделать, на тончайшие слои и, нанося слой на слой, постепенно "вырастить" готовое изделие. Это и есть аддитивное производство – отходов в этом случае практически нет, форму можно придумать самую прихотливую - наша фантазия ограничена только законами физики и свойствами материалов.

У каждого 3D-принтера есть одна или несколько печатающих головок и рабочая платформа. Передвижением головки и платформы и подачей материала управляет компьютер, использующий специальную программу – описание 3D-модели. Разные типы устройств 3D-печати отличаются тем, как именно наносятся и фиксируются слои.

Селективное лазерное спекание (Selective laser sintering - SLS).

При этой технологии порошок рассыпается по рабочей платформе, и затем лазер "вычерчивает" слой объекта, спекая порошок в правильной форме. Затем рабочая платформа опускается на высоту одного слоя и снова засыпается порошком. Лазер связывает следующий слой.

Цельнометаллическое лазерное спекание (Direct metal laser sintering - DMLS).

Технология похожа на SLS. На рабочую платформу наносится слой металлического порошка. Под воздействием лазера порошок сплавляется, и слой за слоем образуется монолитная структура. Технология используется при изготовлении медицинских имплантов, а также деталей и даже целых двигателей в аэрокосмической промышленности.

Моделирование наплавлением (Fused deposition modeling - FDM).

При печати полимерная нить подается через горячее сопло головки, и капли расплава наносятся на рабочую платформу. Перемещениями головки образуется слой объекта. Затем на застывший полимер наносится новый слой. Технология используется для изготовления прототипов и небольших серий готовых продуктов.

Стереолитография (Stereolithography - SLA).

На рабочую платформу наливается жидкий фотополимер. Под воздействием лазера или другого источника ультрафиолетового излучения фотополимер твердеет, и образуется нужный узор. Затем платформа опускается на один слой и снова наливается фотополимер. Лазер рисует следующий слой. Технология используется для создания сложных, высокоточных форм, в частности, для прототипов ювелирных изделий.

Струйный биопринтер (Inkjet-bioprinting).

Биопринтер использует технологию, похожую на обычный струйный принтер, который точно позиционирует сопло и впрыскивает каплю чернил. В биопринтере вместо чернил используются живые клетки, полученные из тканей пациента, и специальный поддерживающий материал (такой, как гидрогель на основе сахара). Поддерживающий материал позволяет придать ткани правильную форму. Биопринтер впрыскивает клетки и поддерживающий материал, пока не сформирует ткань. Затем ткань помещается в специальную камеру с нужной температурой и кислородным балансом, подходящими для роста клеток. Когда клетки соединяются, поддерживающий материал удаляют, и ткань готова к трансплантации.

Основные идеи трехмерной печати были запатентованы еще в 1980-х - начале 90-х годов. Но тогда устройства, которые никто еще не называл 3D-принтерами, были очень дороги, и использовать их могли только крупные корпорации. Интенсивное развитие 3D - принтеров началось во второй половине 2000-х, заметно ускорившись после 2009 г., когда истек срок патента Скотта Крампа, основателя компании Stratasys, на технологию FDM. Тогда многие небольшие компании и даже отдельные энтузиасты взялись за разработку принтеров этого типа, и в результате он получил широкое распространение. Популярности FDM в значительной мере способствовал opensource-проект RepRap, который поставил перед собой цель напечатать на 3D-принтере части самого 3D-принтера, то есть заложить основу инфраструктуры, которая позволит каждому получить свой 3D-принтер и воспользоваться свободно распространяемым программным обеспечением. Самые дешевые принтеры этого типа уже сегодня стоят меньше $1 тыс., то есть позволить их себе может простой любитель поэкспериментировать с гаджетами, а не только крупная компания.

Владимир Кузнецов, руководитель проекта "Лаборатория цифрового производства “Фаблаб”"(НИТУ "МИСиС"), так оценил возможности FDM: "Ограничения есть у всех без исключения аддитивных технологий. FDM имеет, пожалуй, меньше ограничений, чем прочие методы. С помощью этого подхода можно формировать объекты из термопластов, шоколада или биогеля. Настольный принтер позволяет получить разрешение по высоте Z в 0,02 мм, а большая машина способна напечатать жилой дом".

Держатели основных патентов и главные производители серийных 3D-принтеров компании 3D Systems и Stratasys сообщили о росте продаж 3D-принтеров и материалов для печати за 2013 г. на 80% и 60% соответственно. Всего за год в мире произведено свыше 200 тыс. 3D-принтеров. В основном, это именно принтеры типа FDM низкой и средней ценовой категории. Но пока объем рынка 3D-принтеров почти на два порядка меньше, чем рынок традиционных принтеров, и не превышает $1,5 млрд в год.

Персонализация и локализация

Быстрый рост продаж 3D-принтеров продолжается уже несколько лет, что и позволило многим аналитикам, в частности из McKinsey Global Institute, отнести 3D-печать к числу прорывных технологий, которые в течение ближайших 10 лет изменят мир. А специалисты из Аналитического центра при правительстве РФ полагают, что 3D-принтеры станут основой мобильности товаров и "второй индустриализации", и даже выражают обеспокоенность грядущей деиндустриализацией Юго-Восточной Азии и безработицей в Китае.

Такие выводы, в первую очередь, связаны с главными преимуществами, которые обещает использование аддитивных технологий, а именно - с персонализацией товара (то есть, его точным соответствием предпочтениям потребителя) и с локализацией производства (то есть, расположением производства в непосредственной близости от потребителя или даже у него дома).

Сейчас, открывая любой каталог товаров, вы видите изображения готовых изделий. Но, чтобы сфотографировать, например, сапожки, их надо сначала стачать. А понравится ли кому-то этот фасон – неизвестно.

3D-принтер в качестве исходного образа использует специальный файл 3D-модели. Это может быть полученный 3D-сканированием образец реальных сапожек, но это может быть и такой образец, который никогда не существовал в реальности. И таких виртуальных образцов может существовать не просто больше, чем реальных, - их может быть неограниченно много. И потребитель выбирает себе из этого бесконечного набора сапожки по душе, да еще сообщает дизайнеру (который здесь же рядом, онлайн), что вот надо такие же, но "с перламутровыми пуговицами". И тут же получает кастомизированный образец с перламутровыми пуговицами. Если у потребителя есть 3D-скан стопы (что легко сделать, да и просто необходимо иметь при таких покупках), он пересылает образец желанных сапожек и скан стопы в находящуюся по соседству небольшую компанию, у которой есть 3D-принтер, а потом по пути на работу забирает готовые сапожки, сделанные в точности в соответствии с особенностями анатомии его стопы и вкусовыми предпочтениями. При этом оказывается не нужен склад для хранения готовой продукции, не нужна и сама готовая продукция в количестве больше, чем один экземпляр, и, соответственно, не надо везти ее из Китая целыми пароходами.

Владимир Кузнецов отмечает: "Главный тренд - демократизация средств производства. Разработчик (дизайнер) может стать владельцем средств производства, продукту больше нет необходимости обладать потенциалом для реализации в сотнях тысяч экземпляров, чтобы выходить на рынок, производство постепенно будет переходить от формы массового и концентрированного к персональному и распределенному".

Именно максимальная персонализация товара и локализация производства и вдохновляет аналитиков. Ничего страшного, говорят они, что сегодня из потребительских товаров можно напечатать только некоторые виды бижутерии и ювелирных изделий и, пожалуй, еще детские игрушки. Когда вы видите, как 3D-принтер медленно выпечатывает симпатичного - условно - "котега", вас не покидает ощущение чуда, потому что вы понимаете - этот "котег" может быть любым: какого придумаете, такого и воплотите в материале, выведете из цифрового мира в осязаемую действительность.

Принтер 3D Systems MultiJet

За двадцать лет 3D-принтеры подешевели в 100 раз, а их количество выросло с единиц до сотен тысяч.

Если вспомнить, какой толчок дало развитию отрасли поступление патента FDM в общественное пользование, не останется сомнений, что не пройдет бесследно и событие самого последнего времени - в июне 2014 г. истек срок действия ряда важных патентов на технологию SLS.

Стремительно расширяется сообщество адептов 3D-печати, которые создают и программное обеспечение, и 3D-модели. Так, на сайте Shapeways уже выложены десятки тысяч 3D-моделей, доступных для свободного использования, в том числе на домашнем принтере. И количество, и разнообразие 3D-моделей растет лавинообразно.

Самое уязвимое место 3D-принтеров - скорость печати, - пусть и не так быстро, как хотелось бы, но тоже растет. Исследователи из Института Лазерных технологий Фраунгофера обещают ускорить печать по крайней мере вчетверо. Другая проблема - высокая стоимость материалов для 3D-принтеров, - может решиться сама собой: с ростом объемов продаж материалы неизбежно дешевеют.

По оценке MсKinsey, объем глобального потребительского рынка товаров, которые в принципе могут быть напечатаны - в том числе игрушки, аксессуары, ювелирные изделия, обувь, простая одежда, - через десять лет составит порядка $4 трлн в год, из них на товары, произведенные с помощью технологий 3D-печати, будет приходиться от 5 до 10%, то есть $200–400 млрд в год. По сравнению с объемом всего рынка - не так и много, и, пожалуй, не стоит говорить, что жители Юго-Восточной Азии останутся без работы: 3D-печать, вероятно, никогда не догонит по скорости производства штамповку. Поэтому 5–10%, которые прогнозируют аналитики MсKinsey, - кажутся вполне реалистичной оценкой.

3D-принтеры сегодня - хит, именно они на первых полосах и им уделяется особое внимание. Но необходимо помнить, что 3D-принтеры - это только одна из многих технологий цифрового производства, которые позволяют построить цифровую модель объекта и воплотить ее в материале. Есть еще лазерные плоттеры, раскраивающие плоскую заготовку, и 3D-сканеры, и роботизированная сборка, и новые материалы, и многие другие технологии.

Владимир Кузнецов подчеркивает: "Ассоциирование трехмерной печати с переустройством мира - это характерное любование замечательным деревом с полным игнорированием растущего на его фоне леса". Только совместное развитие всех технологий цифрового производства может обеспечить настоящий прорыв.

Аддитивная промышленность

Если домашние 3D-принтеры - это все еще дорогие игрушки, то промышленные устройства аддитивного производства уже нашли широкое применение, и здесь, в первую очередь, необходимо сказать о медицине. На сегодня с помощью 3D-печати уже изготовлено более 40 тыс. протезов для тазобедренного сустава. Такие протезы нельзя изготовить серийно, поскольку они имеют индивидуальные размеры, и точность играет решающую роль для восстановления нормальной работы сустава. Сюда же относится печать имплантов, в частности, нижней челюсти и костей черепа.

Есть и такое направление, как печать органов с помощью специального биопринтера из клеточного материала пациента. Пока изготовление "запчастей" для человека находится в стадии эксперимента, но это тот случай, когда важность задачи трудно переоценить, и потому работа будет продолжаться. Здесь максимальная персонализация и есть единственно возможный путь: другой размер и другая форма или другой материал не подходят, поэтому и ученые, и пациенты готовы ждать.

В некоторых случаях 3D-принтер делается под конкретный продукт. И это оправдывает себя, если продукт уникальный и дорогой. Так был создан 3D-принтер с использованием технологии DMLS для печати ракетного двигателя Super Drago космического корабля DragonV2 компании SpaceX. Камера сгорания ракетного двигателя имеет сложную конструкцию - много каналов подачи топлива и охлаждения, и сделать ее одним куском, из единого массива, нельзя, если применять традиционные технологии.

Вспомним исторический анекдот. В цех Путиловского завода, который занимался в начале XX века производством паровых котлов для судов, пришли инженеры и принесли новую модель. Мастер посмотрел на чертежи, похмыкал и сказал:

- Один котел я сделаю, а второй не смогу.

- Почему? - удивились разработчики.

Мастер показал на чертежи.

- Здесь нужно клепки ставить изнутри. Есть у меня один дурак, я его в котле и оставлю. А больше таких дураков у меня нет.

Если бы у инженеров Путиловского завода был 3D-принтер соответствующих размеров, таких трудностей не возникло бы.

Владимир Губайловский

Материал: http://i.rbc.ru/publication/analytic/3dpechat_kak_izmenitsya_proizvodstvo