Дамы и господа, мы продолжаем публиковать серию переводных материалов из легендарного журнала The Economist, посвященных Третьей промышленной революции и будущему промпроизводства. Те из вас, кто пропустил предыдущие серии, могут прочесть их на нашей специально сверстанной странице — мы рекомендуем посмотреть эту страницу даже тем, кто прочел все предыдущие серии — когда бы еще экономическую журналистику оформляли кадрами из «Метрополиса»?
небольшом здании в бизнес-парке Рок-Хилла, штат Южная Каролина, расположен концепт фабрики будущего. Жужжат несколько станков, за которыми следят из застеклённого центра управления два человека, смотрящие на дисплеи своих компьютеров. Некоторые из станков размером с автомобиль, другие — с микроволновку, но каждый имеет окошко, через которое можно заглянуть внутрь. Один изготавливает ювелирные изделия, другие — пластиковую рукоятку для электродрели, приборную панель для автомобиля, изящный абажур, ножной протез по индивидуальному заказу. Один даже производит детали для производства других станков вроде себя самого.
Это штаб-квартира компании 3D Systems, фирмы, основанной Чаком Халлом, чей патент 1986 года описал систему, которую он изобрёл для изготовления трёхмерных объектов, как «стереолитографию». Она работала, используя ультрафиолетовое излучение для отвердения тонкого слоя жидкого пластика, напоминающего чернила, и повторяла этот процесс нужное количество раз, с каждым проходом добавляя очередной слой пластика. С того момента появились другие способы 3D-печати (смотрите статью), но все они работают по аддитивной технологии, создавая объекты слой за слоем.
3D-печать изначально задумывалась как способ создания одноразовых прототипов, но по мере того, как технология совершенствовалась, всё большее количество объектов печатались, как готовые изделия (процесс, называемый аддитивным производством). Сегодня около 28% средств, которые тратятся на распечатку вещей, идут на готовые изделия, согласно Терри Волерсу, владельцу исследовательской фирмы, специализирующейся в этой области. Он предсказывает, что это число превысит 50% к 2016 году и 80% к 2020. Но, как он думает, оно никогда не достигнет 100%, так как возможность быстро и дёшево изготавливать прототипы останется важной частью схемы.
Единственный в своём роде
Изготовление одноразовых прототипов может быть невероятно дорогим, но 3D-принтеры способны существенно снизить его стоимость. Многие из товаров массового спроса, механических деталей, обуви и моделей для архитекторов предстают в распечатанном виде для оценки инженерами, стилистами и клиентами, до того, как будет выбран окончательный вариант. Любые изменения могут быть своевременно отпечатаны за несколько часов или за ночь, в то время как ожидание нового прототипа, производимого в машинном цехе, может занять недели. Некоторые дизайнеры уже печатают готовую к ношению обувь и платья из пластика и полиамида. Айрис ван Херпен, датский кутюрье, с помощью 3D-печати создал изумительную коллекцию для подиумов. Хотя кожу пока ещё никто не может распечатать, но работы в этом направлении ведутся.
И хотя едва ли аддитивное производство позволяет экономить за счёт роста производства, технология идеально подходит для мелкосерийного производства. Также она позволяет выполнять массовую индивидуализацию готовых деталей. Миллионы зубных коронок и корпусов слуховых аппаратов уже делаются по индивидуальным параметрам с помощью 3D-принтеров.
Свободное от ограничений обычных заводов, аддитивное производство позволяет дизайнерам изготавливать вещи, которые ранее считались слишком сложными для выгодного производства. Это могло быть вызвано эстетическими соображениями, но инженеры ищут и практическое применение. Например, жидкости более эффективно протекают через каналы круглой формы, чем через угловатые, но очень сложно проделать такие каналы внутри твёрдой металлической конструкции обычными способами, в то время как 3D-принтер может сделать это без затруднений. 3TRPD, британская фирма, предлагающая услуги аддитивного производства, распечатала коробку передач для гоночной машины со сглаженными внутренними каналами для масла гидравлической системы, вместо того, чтобы пробурить их под прямым углом. Эта коробка передач не только позволяет быстрее менять передачу, она ещё и до 30% прочнее, говорит Иан Халлидэй, президент фирмы. Истребитель F-18 содержит ряд напечатанных деталей, например, воздуховоды, по тем же причинам.
Меньший вес тоже входит в число достоинств распечатанных на 3D-принтере деталей. При создании объектов слой за слоем возможно использовать ровно столько материала, сколько требуется для производства собственно детали. Производство же на обычном заводе требует добавления выступов и подставок, чтобы деталь можно было обработать, фрезеровать и формовать на станке, а также дать предусмотреть поверхность для частей, которые должны быть прикручены или приварены друг к другу. 3D-принтер, скорее всего, распечатает такое изделие как готовую деталь, которая не будет требовать сборки. Он даже сможет изготовить механические объекты с движущимися частями за один проход.
Это обещает большую экономию на материалах. В аэрокосмической промышленности металлические детали зачастую изготавливают на станке, из сплошного слитка дорогого высокоочищенного титана. Это может означать, что 90% материала срезаются, а стружка бесполезна при производстве самолётов. Тем не менее, титановый порошок может использоваться для изготовления таких вещей, как скобы для дверей самолётов или детали спутника. Они могут быть такими же прочными, как и деталь, изготовленная на станке, но для изготовления потребуется лишь 10% сырья, согласно исследователям из EADS, Европейского аэрокосмического консорциума, являющегося материнской компанией Airbus.
Способность изготавливать весьма сложные конструкции с помощью мощного программного обеспечения и обращать их в реальные объекты с помощью 3D-печати формирует новый язык дизайна и конструирования. Предметы, распечатанные на 3D-принтере, часто имеют органический, естественный вид. «Природа создала немало очень эффективных конструкций, и подражание им — хорошая идея», — утверждает Вим Микелс, вице-президент Materialise, бельгийской компании, использующей аддитивное производство для изготовления ряда продуктов, включая медицинские устройства. При внедрении тончайшей решётчатой внутренней структуры живой кости в металлический имплантат он может быть изготовлен более лёгким, чем будучи изготовлен на станке, не теряя при этом ни грана в прочности, проще соединяясь с костями самого пациента, и может быть изготовлен в точности для нужд конкретного пациента. В прошлом году хирурги из Нидерландов распечатали новую титановую челюсть для женщины, которая страдала от хронической костной инфекции.
Многие компании интересуются, каким образом аддитивное производство повлияет на их деятельность. Некоторые воспринимают эту технологию очень серьезно; GE, например, изучает, как она сможет использовать 3D-печать во всех видах своей деятельности. В разработке у них уже находится один такой продукт, небольшой ультразвуковой сканер. Такие сканеры используются врачами для получения изображений объектов внутри организма, к примеру, детей в утробе матери. Размер, вес и стоимость приставок с дисплеем снизилась, но ультразвуковой зонд, прикладываемый непосредственно к телу, практически не менялся, и является самой дорогой частью системы. Датчик отсылает ультразвуковые импульсы и принимает сигналы, используя отражение для отрисовки изображений. Он содержит миниатюрные пьезоэлектрические датчики, которые изготовлены путём тщательной микрообработки хрупких кусочков керамики.
GE разработала аддитивную систему для распечатки этого зонда. Это сильно снизит стоимость производства и позволит разработать новые, недорогие портативные сканеры, не только для медицинского применения, но и для исследования критически важных аэрокосмических и промышленных конструкций на предмет трещин.
Повторяй за мной
Как далеко может шагнуть эта технология? Идельчик, из лаборатории глобальных исследований GE, очень оптимистичен: «В один день мы распечатаем двигатель». Но ряд производителей, таких как GE и Rolls-Royce, считают, что появится некий вид гибридной системы для печати. Она изготовит наброски для формы, что поможет сэкономить материалы, а затем заготовка может быть обработана станком для большей точности.
Replicator, роботизированная система по быстрому производству, изготовленная британской компанией Cybaman Technologies, уже довольно близка к этому. Система, размером с большой холодильник, готова как к субтрактивному, так и к аддитивному производству. Она использует систему напыления, управляемую лазером, чтобы создать базовую форму, которую затем обрабатывают на станке. Replicator, как и подобает системе с таким именем, способен к созданию точной реплики объекта, предварительно помещенного внутрь него, при помощи цифрового сканирования для получения необходимых данных.
Replicator ближе всего к тому, насколько современная технология способна воссоздать телепорт из научной фантастики. Он может отсканировать объект в одном месте и дать команду распечатать копию второму Replicator на другом конце мира. Это означает, например, что срочно требующиеся запасные части могут быть изготовлены в разных местах, без необходимости что-то пересылать. Даже детали, которые уже недоступны на рынке, можно будет скопировать путём сканирования сломанной запчасти, её виртуального восстановления и распечатки новой. Вполне возможно, что появятся цифровые библиотеки деталей и товаров, недоступных на рынке. Точно так же, как с появлением электронных книг понятие «тиража» в их отношении потеряло смысл, так и детали смогут оставаться доступными навечно. Представьте ремонтников с портативными 3D-принтерами в своих микроавтобусах, или хозяйственные магазины, предлагающие услуги по распечатке деталей с чертежей.
3D-принтеры будут бесценны в удалённых местах. Деон де Бир из Ваальского технического университета неподалёку от Йоханнесбурга сейчас работает над проектом, который называется Idea 2 Product Lab, использующего дешёвые 3D-принтеры для обучения и для того, чтобы пробудить интерес к конструированию и производству у студентов. Пока его команда размещала подобную лабораторию в одном из филиалов колледжа в Апингтоне, большом сельскохозяйственном районе Северо-Капской провинции, они обнаружили, что им не хватает нужного гаечного ключа. Вместо того, чтобы ждать несколько дней доставки, они распечатали его и закончили работу.
«Вместо гаечного ключа представьте небольшую пластмассовую деталь, скажем, для ремонта оборудования в местной больнице или сельскохозяйственной техники» — говорит Де Бир. Он считает, что 3D-принтеры могут «создать новый вид инженеров-механиков», особенно в сельскохозяйственных регионах.
У некоторых людей уже есть 3D-принтеры дома. Промышленные системы 3D-печати стоят от 1500$ до миллиона долларов и выше. Но дешёвые настольные системы создают новый рынок. Они предназначены для людей, увлечённых своим хобби, энтузиастов, делающих всё своими руками, ремесленников, изобретателей, исследователей и предпринимателей. Некоторые системы могут быть собраны из наборов и используют свободное программное обеспечение. Но крупные производители 3D-принтеров тоже приходят на рынок.
3D Systems, которые производят широкий спектр станков и устройств для изготовления прототипов, сейчас запускают линию небольших 3D-принтеров для домашних пользователей, называющуюся Cube. Она была разработана совместно с онлайн-платформой Cubify для того, чтобы предоставлять услуги сообществу своих пользователей. Cube, ценой в 1299$, печатает при помощи нанесения тонкого слоя материала из картриджей разного цвета. При застывании пластик твердеет. Эти принтеры могут изготовить деталь размером до 140 мм по трём измерениям, при стоимости материалов в 3,50$. Качество не будет таким же, как в промышленных принтерах, но для большинства этого будет достаточно. Высококачественные творения могут быть загружены в Cubify.
«Новая линейка продуктов означает не просто возможность что-то распечатать» — говорит Эйб Райхенталь, директор 3D Systems. «Она создана для того, чтобы упростить процесс создания продукта и позволить людям использовать мощь интернета, чтобы делиться идеями. Это персональная производственная революция» — говорит он.
