Добавить нужное. Изобретение 3D-принтера изменило сам подход к производству

Менделееву, как известно, его периодическая система приснилась. И хотя достоверность этой истории многие ставят под сомнение, мне, как химику, приятно сознавать, что в моей дисциплине есть такой миф.

Чаку Халлу сейчас 75 лет, он тоже химик. И изобретение, которое принесло ему известность, внимание назойливых журналистов и, что уж греха таить, деньги, ему привиделось во сне. Нет, Халл не изобрел секрет вечной молодости, хотя его детище может совершить революцию в медицине. С его помощью уже печатают зубы, кости и даже целые органы. Речь идет о 3D-печати, вернее, об одной из ее разновидностей — стереолитографии. Это когда луч лазера инициирует реакцию фотополимеризации, пластик затвердевает, и после энного количества шагов вы получаете готовый объект. Меня завораживает изящество найденного решения: подобные реакции были известны давно, но чтобы совместить их с использованием печати… Правда, в 1983 году форма оставляла желать лучшего: первым объектом, вышедшим из аппарата Халла, стала миниатюрная и неказистая кружка, на ее печать ушло несколько месяцев. Для сравнения: фигурка, которая с недавних пор стоит у меня на столе и радует проработкой деталей, печаталась несколько часов.

Создав свой первый принтер и основав компанию 3D Systems, оборот которой теперь измеряется сотнями миллионов долларов, Халл положил начало целой отрасли. И хотя трехмерная печать является для нее привычным названием, все большее распространение получает другой термин — «аддитивные технологии». На мой взгляд, это определение куда более емкое и лучше раскрывает суть феномена. Ведь революция, к которой приложил руку Халл, заключается в том, что в отличие от традиционных способов производства, когда из готового куска материала путем обработки получают готовое изделие, отсекая ненужное, при аддитивном подходе происходит обратное: продукт создается посредством постепенного добавления свежего материала.

В большинстве случаев это и правда похоже на обычную печать, но далеко не всегда — многие промышленные принтеры, хотя и называются таковыми, внешне и по сути не всегда походят на «эпсоны» и «хьюлетты», что стоят в офисах.

Сегодня проще сказать, что не используется в качестве печатающего материала и в каких областях не используют аддитивные технологии. Печатают и торты, и целые дома, и даже модели сверхновых звезд, созданные в результате математического моделирования.

Сегодняшний объем мирового рынка таких изделий составляет более $3 млрд, наиболее оптимистичный прогноз на 2020 год — около $12 млрд. И хотя говорить о зрелости рынка еще рано, тот факт, что крупнейший производитель авиадвигателей Rolls-Royce уже печатает лопасти турбин, доверяя жизни людей новой технологии, говорит сам за себя.

Вряд ли кому придет в голову, что гиганты берутся за трехмерную печать из простого любопытства или ради того, чтобы следовать модному тренду. Дело в конечном счете в деньгах. Если вам нужно создать прототип, показать его кому-то, обкатать на фокус-группе, сделать что-то, что по результатам испытаний, возможно, придется доработать, лучшего способа, чем напечатать модель на 3D-принтере, не найти. Времени и денег тратится в разы меньше. Причем как напрямую, так и косвенно: материальные затраты при традиционном подходе, выраженные в количестве отходов, в некоторых отраслях достигают колоссальных значений. В авиастроении, к примеру, есть даже такой показатель, как процент исходных материалов, находящий в итоге свое воплощение в самолете.

К слову сказать, быстрота прототипирования, низкие накладные расходы, доступность разнообразных 3D-принтеров вкупе с уменьшением стоимости и расширением ассортимента микроэлектронной базы, а также возможностью собрать деньги через такие краудфандинговые платформы, как Kickstarter или IndiGoGo, привели к появлению сотен стартапов, создающих реальные вещи в разных отраслях.

Но дело не только в простоте и дешевизне. Возвращаясь к авиационным двигателям, сегодня это сложнейшие с инженерной точки зрения изделия, которые к тому же испытывают колоссальные и многократные нагрузки. Раньше процесс создания некоторых деталей приходилось разбивать на несколько этапов, так как традиционный способ производства просто не позволял создавать объекты такой сложной формы за один раз. Теперь же с использованием 3D-печати это стало возможным.

И, что немаловажно, создание таких изделий — прекрасная иллюстрация современного подхода к производству, когда большинство операций, начиная от создания чертежа и заканчивая функционированием изделия, управляется компьютером. Ведь до того, как начать печать, объект проектируется и обрабатывается на компьютере, переводится в специальный формат, понятный для принтера, и уже после этого отправляется, опять же в цифровом виде, на печать. Что интересно, один из первых файловых форматов для трехмерной печати был тоже придуман Чаком Халлом. Возможен и обратный, также связанный с компьютерной обработкой процесс: когда реальный объект оцифровывается при помощи 3D-сканера, переводится в формат чертежа и в неизменном или скорректированном виде воспроизводится на трехмерном принтере. С этим связано еще одно свойство аддитивных технологий: возможность быстрой подгонки готового изделия или создания нового с нуля в зависимости от конкретных потребностей клиента. Речь о том, что сегодня принято называть кастомизацией и персонализацией. Где это найдет, а часто уже и находит, применение — понятно. Та же печать внутренних органов или частей скелета без учета особенностей конкретного пациента невозможна.

Есть, конечно, у аддитивных технологий и свои недостатки. Основная критика фокусируется вокруг низкой скорости создания изделий и их качества. Дескать, обычное литье и ковка куда быстрее и надежнее. За 20 лет, однако, скорость 3D-печати увеличилась существенно. И, судя по всему, будет увеличиваться и дальше: производители все чаще используют несколько печатающих головок, что не только ускоряет процесс, но и позволяет использовать разные цвета и даже материалы за один проход. Недавно был представлен прототип принтера, позволяющий печатать сложные фигуры буквально за минуты. По словам создателей, дело в технологии «непрерывной печати»: фигурка, в отличие от послойного постепенного наращивания слой за слоем, буквально вырастает из раствора фотополимера.

С качеством тоже не все так плохо, как утверждают многие оппоненты. Да, модели, получающиеся с использованием недорогих, предназначенных для домашнего использования принтеров, выходят шероховатыми, проработка деталей хромает, но, с одной стороны, разрешающая способность устройств растет, а с другой — далеко не всегда даже в промышленном производстве нужно субмикронное разрешение. Чаще востребовано другое — возможность быстро напечатать, протестировать и в случае необходимости изменить модель и напечатать заново. А с этим у аддитивных технологий все в порядке.

Чак Халл вспоминает, что, создавая первый принтер, думал, что путь от его громоздкого устройства до сегодняшних быстрых и куда более совершенных устройств займет значительно больше времени. Да и о таком широчайшем спектре применений аддитивных технологий он помыслить не мог. Вряд ли будет большим преувеличением предположить, что в течение десятилетия печать человеческих органов станет распространенной практикой, число материалов и способов печати сравняется с обычным производством. Сегодня основной материал для 3D-печати — различные полимеры. Металлические составы используются в значительно меньшей степени. В ближайшие годы ситуация изменится: прогресс в области получения микропорошков позволит не только с большой легкостью оперировать различными металлами, но и существенно расширить диапазон и характер используемых сплавов. И если сегодня в ходу одно- и двухсоставные композиции сплавов, то вскоре аддитивные технологии обогатятся более сложными металлическими составами, которые уже используются в традиционной металлургии. Следом подтянется и композитная керамика — один из самых быстроразвивающихся сегментов современного материаловедения.

Экспансия человечества в космос также даст сильный толчок для дальнейшего развития технологий. Ведь если доставка готовых изделий на орбиту будет по-прежнему оставаться дорогим удовольствием, куда проще и выгоднее производить все там и желательно из находящихся на астероидах, спутниках или планетах материалов.