Адгезия

Когда-то давно по тв крутили креативную рекламу суперклея. Основной фишкой в ней был мужчина, чьи ботинки были приклеены к потолку и спокойно держали его в подвешенном состоянии. Это необычное зрелище плюс уверенный голос диктора, рассказывающего о невероятной силе рекламируемого продукта, внушали потенциальному покупателю вполне ожидаемую мысль купить. Меня же всегда смущало одно радостное выражение лица этого новоявленного Бэтмена: кто-то присобачил его к потолку, а он радуется. В общем, странная реклама, очевидно гиперболизирующая свойства продукта в угоду повышения его продаж. Однако адгезивный материал способный на такое был бы крайне полезен во многих отраслях, посему многие ученые пытаются из года в год создать все более липкий клей. Так ученые из университета Тафтса (США) в попытках создать новый тип клея обратились за вдохновением к морским обитателям. Новость об этом исследовании уже была, но мы, как обычно, рассмотрим его подробнее. Какие именно существа вдохновляют на мысли о клее, как именно их физиология и биохимия помогли в разработке адгезивного материала, и насколько клейкий такой клей? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В водах морей и океанов полно не только снующих туда-сюда рыб и млекопитающих, но и существ, предпочитающих сидеть на одном месте и не двигаться без особой на то причины. На первый взгляд это кажется весьма простой задачей достаточно какой-то присоски, плоской поверхности и вуаля постоянное место жительства готово. Однако морская среда неоднородна: регион, глубина, течения, температура, соленость, и даже соседи могут тем или иным образом влиять на способность сидячих существ прикрепляться к поверхностям. Из менее очевидных, но не менее важных аспектов, является химический состав воды.

Одним из самых именитых природных адгезивных материалов, применяемый в морской среде, это биссус, выделяемый некоторыми двустворчатыми моллюсками (например, мидиями). Биссус представляет собой полипептидное волокно, состоящее из адгезивных белков, специфически консервативных олигопептидов, богатых остатками лизина, гидроксипролина и дигидроксифенилаланина (ДОФА или DOPA от dihydroxyphenylalanine).


Биссус

У моллюска имеется биссусовая железа, выделяющая биссус, который застывает в воде и образует своеобразный корень, с помощью которого и происходит крепление к поверхности. Отодрать моллюска, полностью присоединившегося к поверхности, бывает крайне сложно.

Столь высокая адгезионная способность обусловлена механизмом адгезии, включающему катехиновые остатки L-DOPA, которые окисляются до реакционноспособных хиноновых фрагментов, дополнительно способствуя сшиванию с другими связанными с белками остатками, такими как амины и тиолы. Ученые считают, что окисление остатков* L-DOPA требуется для когезии*, возникающей за счет образования поперечных связей. А неокисленные остатки DOPA способствуют способности прикрепляться к разным поверхностям.

Остаток* структурная единица биополимера, состоящего из аминокислот и сахаров.

Когезия* связь между одинаковыми молекулами (атомами, ионами) внутри тела в пределах одной фазы, т.е. взаимное притяжение одинаковых молекул.

Баланусы

Помимо мидий необычайно крепкой хваткой обладают морские желуди (баланусы, Balanus), способные прикрепляться как к природным, так и к искусственным материалам. Клейкое вещество (иногда называемое цемент), выделяемое баланусами, основано на нерастворимых адгезивных нановолокнах, которые состоят из множества белковых компонентов с высоким содержанием -листов*. Этот цемент способен выдержать воздействие сильных кислот, органических растворителей, щелочей и даже температуры в 200 C.

-лист* форма регулярной вторичной структуры белков, состоящая из бета-цепей, связанных с боков двумя или тремя водородными связями, образуя слегка закрученные, складчатые листы.

Клей баланусов богат амилоидоподобными -листовыми доменами, которые организованы как очень компактные водородно-связанные структуры, ориентированные перпендикулярно основной оси полимера. Данные структуры очень стабильны и способны прилипать к любой поверхности.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые предложили объединить механизмы адгезии мидий и баланусов вида Cirripedia для создания клея, в основе которого будет композит, состоящий из регенерированного водного раствора фиброина шелка (SF от silk fibroin) и полидофамина (PDA от polydopamine). PDA использовался в качестве молекулы, несущей катехол, что позволяет имитировать адгезию мидий. PDA представляет собой полимер, полученный в результате окислительной полимеризации дофамина, с различными мономерными и олигомерными фрагментами. В нем содержится большое количество донорных и акцепторных водородных связей и ароматических колец.

Имитация клея баланусов была выполнена путем применения фиброина* шелка Bombyx mori (тутовый шелкопряд), так как он способен собираться в домены из -листов.

Фиброин* фибриллярный белок, выделяемый паукообразными и некоторыми насекомыми, является основой нитей паутины и коконов.

Дело в том, что фибрион и клей баланусов очень похожи по аминокислотному составу и имеют общее эволюционное происхождение. Обе эти структуры характеризуется исключительными механическими свойствами, такими как высокая прочность на разрыв и растяжимость.


Изображение 1

В основе создания клея лежал процесс смешивания SF и PDA в различных пропорциях путем прямой окислительной полимеризации дофамина в водном растворе SF. За счет объединения SF и PDA полученный адгезионный материал берет лучшее от обеих сторон (от мидий, и от баланусов). В частности, сшиваемые и хелатирующие железо части DOPA из мидий вводятся катехинами PDA, в то время как структурная стабильность обеспечивается -листовым амилоидоподобным клеем балануса через основную цепь полипептида SF (1а).

Кроме того, сила адгезии была значительно увеличена за счет отверждения* FeCl₃/HCl в результате комплексообразования катехоловых единиц (как у мидий) и агрегации SF, наблюдаемой в кислой среде.

Отверждение* процесс преобразования жидких олигомеров и/или мономеров в твердые неплавкие и нерастворимые сетчатые полимеры.

Одним из основных свойств, которым хотели ученые наделить свой SF-PDA клей, это сохранение адгезивности в водной среде, что им успешно удалось. В сухой среде адгезия клея составляла 2.5 МПа, а в водной 2.4 МПа.

В качестве практической демонстрации ученые собрали модельку самолета, применив при этом композитный клей SFPDA 200 х 10^-3 м, отвержденный с помощью FeCl₃ (1c).

Результаты исследования

Во время приготовления клея к раствору SF (7.3%, т.е. 73 мг/мл) добавляли различное количество дофамина (до концентраций 2 х 10^-3, 20 х 10^-3 или 200 х 10^-3 м). Далее смесь оставляли в покое при комнатной температуре на два дня, чтобы начался процесс самопроизвольной полимеризации дофамина.

Чтобы проверить адгезионную прочность композита, 20 мкл полученных растворов SF-PDA были налиты на стеклянные предметные стекла размером 25 х 10 мм (1b). После высыхания в течение 1 часа смесь подвергали воздействию различных отвердителей (4 мкл): бидистиллированная вода, HCl (55 х 10^-3, 550 х 10^-3 м) и FeCl₃ (30 х 10^-3, 300 х 10^-3 м). Затем второе предметное стекло помещалось поверх первого. Полученная конструкция зажималась биндерами (скрепками) и оставлялась на ночь.

Далее стекла подвергались тестированию прочности на разрыв. Во всех проведенных экспериментах было обнаружено, что разрушение связи имеет когезионную природу, поскольку полимер распределялся на обеих подложках после разрыва связи (2а).


Изображение 2

HCl использовался в качестве отвердителя для предотвращения окисления катехолов до хинонов, что часто происходит при pH выше 5.5, а также в качестве контрольной группы для образца, обработанного FeCl₃, который также является кислым и имеет такие же свойства pH.

FeCl₃ необходим для запуска хелатирующей способности катехолов по отношению к Fe³⁺, что впоследствии приводит к образованию прочных комплексов и, следовательно, к высокой степени адгезии при одновременном создании кислой среды, как и в случае с HCl. Кроме того, FeCl₃ способствует агрегации SF за счет координации полярных аминокислот, таких как остатки тирозина и серина.

Результаты тестов на разрыв при использовании различных отвердителей показаны на 2b. Стоит отметить, что чистый PDA не смог склеить два стекла без SF. Следовательно, PDA действует как эффективный сшивающий агент между реакционноспособными фрагментами SF, но не приводит к каким-либо заметным явлениям когезии. Другими словами, PDA помогает SF склеивать стекла, но самостоятельно на это не способен.

SF в чистом виде также показал плохую адгезию, сравнимую с большинством полностью натуральных клеев. Прочность сцепления 20 мкл раствора SF (7.3%) составила всего лишь 0.2 МПа.

Добавление дофамина, который свободно самополимеризуется в растворе SF, увеличивает адгезионные свойства пленок SF по мере увеличения концентрации дофамина. Максимальная концентрация, использованная в экспериментах (200 х 10^-3 м), увеличивала прочность сцепления чистого SF в три раза, т.е. до 0.6 МПа (слева на 2c).

Добавление HCl дополнительно улучшило адгезионную прочность образцов (2b/2 и 2b/4). В частности, SF-PDA 200 х 10^-3 м, отвержденный самой высокой концентрацией HCl (550 х 10^-3 м), показал прочность адгезии до 2 МПа (слева на 2c).

Высокая прочность адгезии также может быть достигнута, если использовать Fe³⁺ в качестве отвердителя (2b/1 и 2b/3). В результате использования FeCl₃ с концентрацией 30 х10^-3 м было получено значение прочности в 2.0 МПа.

Выбор FeCl₃ в качестве отвердителя был обусловлен механизмом адгезии, проявляемым мидиями, которые накапливают Fe³⁺ и используют его в качестве сшивающего агента между катехиновыми звеньями. Для комплексообразования железа требуются депротонированные катехиновые (пирокатехиновые) единицы, и поэтому хелатирование зависит от значений pH.

Это подтверждается результатами тестов, в которых SF-PDA 200 х 10^-3 м отвержденные как 550 х 10^-3 м HCl, так и 300 х 10^-3 м FeCl₃, которые имеют примерно одинаковый pH (0.96), демонстрируют практически одинаковую силу сцепления: 1.2 и 1.3 МПа соответственно.

Но у образцов, отвержденных с помощью FeCl₃ 30 х 10^-3 м (1.96 pH), сила адгезии превышает 2 МПа, вероятно, из-за более высокого отношения Fe³⁺/H⁺, поскольку оба конкурируют за взаимодействие с катехолами.

Дополнительно были проведены аналогичные тесты с образцами из стали, алюминия и фанеры, которые показали прочность на сдвиг 4.7, 2.2 и 0.8 МПа соответственно.

Далее была проведена оценка морфологии тестируемых смесей с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), показавшей, что после процесса отверждения полученная структура напоминает натуральный биссус (3a/6).


Изображение 3

На изображениях 3a/1-3a/4 показаны СЭМ снимки высушенных адгезивов SF-PDA до и после отверждения с помощью FeCl₃, на 3a/5 показано расслоение адгезивов. При этом толщина слоя клея между стеклами составляла всего лишь 3 мкм (3a/8).

Ученые отмечают, что перед отверждением адгезивы демонстрируют повышенную шероховатость с увеличением процентного содержания дофамина. Сравнение клея SF-PDA и клея мидий (т.е. биссуса) показало сходство как в морфологии структуры, так и в размерах пор.

Пористость структуры клея напоминает ту, что присутствует у мидий и других морских организмов. Им она помогает повысить эластичность клея и свести к минимуму резкое несоответствие модуля упругости между жесткими частицами и гибким цементом (биссусом).

Немаловажной особенностью клея мидий и баланусов является сохранение его клейкости в водной среде. Чтобы выяснить, обладает ли SF-PDA клей такой же характеристикой, ученые провели тест с тремя образцами, отвержденными с помощью H₂O, HCl и FeCl₃. Каждый из образцов после добавления отвердителя помещался в бидистиллированную воду на сутки.
Спустя это время образцы подвергались тестам на сдвиг либо в воде (отмечено A на графиках), либо в сухой среде (отмечено B на графиках) (2b/5 2b/8). Дополнительно был проведен такой же тест, но в обычной воде (pH 9; отмечено C на графиках) для проверки влияния уровня pH на адгезию.

Находясь в воде, стеклянные пластины, соединенные SF-PDA клеем отвержденным самой водой, самопроизвольно отделялись друг от друга спустя 24 часа. Чистый SF также не мог обеспечить сцепление пластин даже после отверждения с помощью HCl или FeCl₃. Сцепление смогли обеспечить лишь варианты клея SF-PDA, отвержденные до их помещения в воду.

Измерения показали (справа на 2c), что кислотное отверждение с помощью HCl было необходимо для получения адгезии под водой, которая улучшается за счет увеличения концентрации дофамина до 1.5 МПа.

Лучшие результаты адгезии показали образцы после отверждения FeCl₃ (справа на 2c) 2 МПа. Концентрация PDA в составе клея также играла важную роль в показателях адгезии: самое высокое значение (1.9 МПа) наблюдалось при высокой концентрации, а при низкой адгезия была либо резко падала, либо практически отсутствовала. Рекордной значение адгезии (2.4 МПа) в рамках данного исследования было получено во время тестов в обычной воде.

Если же сравнивать образцы, отвержденные HCl или FeCl₃, то именно вторые показали лучшее сцепление в водной среде. Это объясняется взаимодействием Fe³⁺ с SF-PDA, которое происходит через хелатирование, и окислительно-восстановительной природой FeCl₃.

Процесс отверждения также вызывает увеличение гидрофобности смесей SF-PDA, что было оценено путем измерения угла смачивания (3b), когда стекло, покрытое PDA, показывало полную смачиваемость (капли полностью растеклись по поверхности). Соответственно, по мере увеличения содержания PDA увеличивалась смачиваемость смесей SF-PDA.

После отверждения с помощью HCl углы смачивания в каждой смеси увеличивались с 14 до 43, что свидетельствует об увеличении гидрофобности поверхности. Наибольшая модификация наблюдалась в SF-PDA (200 х 10^-3 м), угол смачивания которого достигал 93.22.

Аналогичную картину можно было наблюдать и при использовании FeCl₃ в качестве отвердителя. Увеличение кислотности среды, вызванное ионами Fe³⁺, приводило к увеличению угла смачивания. А незначительно повышенная смачиваемость по сравнению с HCl объясняется присутствием значительного количества ионов Fe³⁺ в смеси SF-PDA (3c).

Ученые заявляют, что среди коммерческих клеев, используемых под водой, лучшим является клей на основе полиуретана, так как в нем достигается компромисс между его свойствами, проявляемыми в сухой и подводной среде. Прочность адгезии такого клея составляет 2.8 МПа в сухой среде и 2.5 МПа в подводной (если применено 13.5 мг клея). Есть варианты клея, способные показать 3 МПа под водой, но для их применения используется хлороформ.

Вышеописанный клей действительно показывает отличные результаты, однако он является синтетическим и включает использование вредных реагентов и растворителей. А для получения рекордных 3 МПа необходимо было использовать 13 мг клеевой смеси, что примерно в 13 раз выше, чем в случае с разработанным SF-PDA, которого достаточно всего лишь 1-2 мг для получения прочной адгезии.

Ученые отмечают, что среди имеющихся на данный момент адгезивов природного происхождения максимальные значения адгезии составляют 0.4 МПа в сухой среде (14 мг чистого SF в качестве клея) и те же 0.4 МПа в подводной среде (100 мг смеси хитозан-PDA). А это наглядно показывает превосходство разработанного SF-PDA над другими адгезивами.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые описали новый тип клея, способного прочно соединять различные поверхности как под водой, так и на суше. Главным вдохновением этого труда послужили морские обитатели, способные намертво прикрепляться к разным поверхностям с помощью веществ, выделяемых их организмом.

Ученые решили объединить в своем клее лучшее от мидий и баланусов, обладающих своей уникальной техникой адгезии. Это позволило создать полностью натуральный клей на водной основе с использованием фиброина шелка и дофамина (SF-PDA).
Важно и то, что во время изготовления и применения созданного клея используются практически безвредные реагенты. А сила адгезии сравнима с лучшими коммерческими вариантами доступными на данный момент. При этом достаточно всего лишь 1-2 мг SF-PDA клея для достижения эффекта, сравнимого с тем, что и можно получить с помощью 14 мг коммерческого синтетического клея, в котором используется хлороформ.

Конечно, многие синтетические вещества, материалы и т.д. намного лучше своих природных эквивалентов. Однако в последние годы, когда общество начало куда больше думать об экологии, мы часто выбираем что-то природное, хоть и с худшими свойствами. Но это исследование показало, что бывают случаи, когда природный во всех аспектах лучше синтетического.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Новая эпоха технической революции

С каждым годом 3D-печать становится всё более массовой. По данным исследовательской группы CONTEXT, в 2015 году был отгружен 500-тысячный 3D-принтер, а к 2017 году продано около миллиона устройств. 3D-печать уже внедряется в качестве производственной технологии. Например, в 2016 году компания General Electric стала продавать авиационные двигатели с топливными форсунками, напечатанными на 3D-принтере. Ракеты Атлас-5 с деталями, напечатанными той же технологией, запустили в космос. Бренды Under Armour и New Balance пустили в продажу небольшие партии спортивной обуви, частично напечатанной на 3D-принтере, а компания Organovo запустила коммерческую биопечать тканей почек человека.

Пока что, это только фундамент. За всю историю человечества было множество технологических революций, каждая из которых проходила через три фазы. Первой идёт концептуализация, когда формируются видения и идеи, которые определяют дальнейший путь. Затем реализация, в течение которой кажущиеся ранее невозможными замыслы начинают частично реализовываться. И третья фаза массовая коммерциализация, когда предприятия осваивают производство и применение новой технологии.

И на какой же фазе находится 3D-печать? Применение 3D-принтера для превращения цифрового файла в физический объект уже получило широкое распространение. Например, в таких областях как инженерия, право, экономика, бизнес, география и искусство. Уже ведутся споры о последствиях обмена цифровыми объектами через интернет, чтобы тут же распечатать их на принтере (допустим огнестрельное оружие). Очевидно, что мы ещё далеки от того дня, когда персональные 3D-принтеры положат конец капитализму, передав производство в руки большинства. Тем не менее, не остаётся сомнений в том, что революция в области 3D-печати добралась до второй фазы реализации.

К сему моменту изобретено достаточно методов изготовления твёрдых объектов путём печати их множеством тонких последовательных слоев. На самом деле, наиболее распространённые технологии 3D-печати существуют уже несколько десятилетий.

Хотя технология продолжает развиваться, предположу, что до последней революционной фазы массовой коммерциализации остаётся около десяти лет. Пионеры 3D-печати уже используют её для изготовления самых разных вещей. Тем не менее, этот рынок по-прежнему остаётся нишевым и ограничен в коммерческом применении. В частности, это компании где занимаются мелкосерийным, штучным производством или товаров, которые невозможно изготовить традиционными методами.

Несмотря на вышеупомянутое, мы должны помнить, что десять лет назад ни один промышленный сектор не сообщал о продаже продуктов, полностью или частично изготовленных с помощью 3D-принтера. Поэтому, происходящее сейчас впечатляет. По мере развития методов 3D-печати и появления новых, а также того, как старые процессы становятся быстрее и дешевле, стоит ожидать, что 3D-печать приблизиться к фазе массовой коммерциализации в конце 2020-х или начале 2030-х годов. Новаторы этой области планируют воспользоваться преимуществами технологии задолго до этого.

Технология 3D-печати

И как же устроена 3D-печать? В значительной степени, она является эволюцией 2D-печати, уже используемой повсеместно в офисах и домах.

Большинство из нас знакомы со струйными или лазерными принтерами, которые позволяют печатать документы или фотографии. Они создают их, управляя нанесением чернил или тонера на поверхность листа бумаги. Подобным образом и 3D-принтеры производят объекты, контролируя размещение и адгезию последовательных слоёв строительного материала в трёхмерном пространстве. По этой причине 3D-печать также известна, как аддитивное производство слоёв (ALM Additive Layer Manufacturing) или аддитивное производство (АП или AM Additive Manufacturing).

Чтобы напечатать объект на таком принтере, потребуется цифровая модель на компьютере. Её можно создать с помощью приложения для автоматизированного проектирования (САПР) или другого ПО под трёхмерное моделирование. Также, цифровая модель может быть захвачена путём сканирования реального объекта 3D-сканером и обработкой с помощью CAD или других программ.

Затем модель необходимо пропустить через ещё одну программу для нарезки, которая разделит цифровой объект на множество слоёв поперечного сечения обычно толщиной около 0,1 мм. Эти цифровые ленты отправляются на 3D-принтер, который изготавливает их одну поверх другой, пока не будет сформирован реальный предмет.

3D-модель в Cura популярной программе для нарезки с открытым исходным кодом

Та же модель, которую печатает настольный 3D-принтер Ultimaker

Готовая игрушка

То, как 3D-принтер вырисовывает объект по одному слою за раз, зависит от технологии, на которой он построен. Существует множество методов 3D-печати и их можно разделить на 4 категории.

• К первой категории относятся принтеры, которые создают объекты путём экструзии расплавленного полужидкого материала из сопла печатающей головки. Чаще всего это термопластик, который быстро затвердевает, покинув печатающую головку. Другие 3D-принтеры, основанные на экструзии, производят объекты, выводя расплавленный металл или шоколадную глазурь (для печати кулинарных творений). Есть также принтеры, которые используют бетон, керамическую пасту или глину.

  
  

• Вторая категория 3D-принтеров создаёт слои объектов путём выборочного затвердевания жидкой смолы, известной как фотополимер, застывающий при воздействии лазера или другого источника света. Некоторые из таких машин создают слои объектов внутри резервуара с жидкостью. А другие выпускают слой смолы из печатающей головки, и используют ультрафиолет, чтобы закрепить его перед нанесением следующего слоя. Есть приборы, которые смешивают несколько разных фотополимеров в одном задании на печать, что позволяет им выводить цветные объекты, сделанные из нескольких материалов. В частности, один из таких принтеров J750 от Stratasys предлагает палитру из 360 тысяч оттенков и может изготавливать объекты из смеси различных материалов.

  
  

• Третья и самая распространённая категория оборудования создаёт слои, выборочно склеивая гранулы очень тонкого порошка. Такое связывание гранулированных материалов достигается путём нанесения клея на слои порошка или плавлением гранул лазером или другим источником тепла. Существует множество видов порошковой адгезии на основе различных материалов. К ним относятся нейлон, воск, бронза, нержавеющая сталь, кобальт-хром и титан.

  
  

• Последняя категория 3D-принтеров построена на ламинировании. Последовательные слои вырезанной бумаги, металла или пластика склеиваются, образуя твёрдый объект. Если в качестве строительного материала используются листы бумаги они разрезаются лезвием или лазером, затем склеиваются. На них можно распылять краску в процессе печати для создания недорогих полноцветных трёхмерных объектов.

  
  

Рынок и применение

3D-печать используется для создания прототипов, изготовления пресс-форм, прямого цифрового и индивидуального производств. Поставщики оборудования, программного обеспечения и материалов для 3D-печати уже обслуживают потребности различных секторов рынка. И сейчас мы рассмотрим эти области применения, чтобы понять, за счёт чего развивается технология трёхмерной печати.

Быстрое прототипирование

Чаще всего 3D-принтеры применяются для быстрого прототипирования (RP Rapid Prototyping). К этому относятся концепты и функциональные прототипы. Концепты представляют собой простые, нефункциональные черновики дизайна продукта (например, бутылка без съёмной крышки) и предназначены для того, чтобы художники могли воссоздать свои идеи в физическом формате. Функциональные прототипы напротив более сложны и позволяют оценить форму, соответствие и функции каждой части продукта перед тем, как пустить его в производство.

Функциональные прототипы и концепты создавались ещё до появления 3D-принтеров с использованием трудоёмких методов и инструментов. Поэтому на их производство нередко уходят много дней, недель или даже месяцев, а стоимость составляет тысячи или десятки тысяч долларов. 3D-принтеры могут создавать концепты и функциональные прототипы за несколько дней или даже часов, и за небольшую часть от стоимости традиционными способами изготовления. К примерам из этой отрасли можно отнести концепты автомобилей для Формулы-1.

Помимо экономии времени и денег, печать прототипов позволяет выводить на рынок улучшенные продукты, поскольку дизайн обычно проходит через множество итераций. Например, производитель термосов Thermos использует 3D-принтеры компании Stratasys для изготовления прототипов за часы, а не дни, и за пятую часть стоимости производства от внешнего поставщика. Поскольку дизайнеры теперь могут создавать столько прототипов, сколько потребуется, компания смогла доработать до совершенства такие характеристики продукта, как крепление крышки и удобство разливки.

Технология 3D-печати в цвете из различных материалов и металлов продолжает развиваться, поэтому ассортимент и качество продуктов, включая их компоненты, которые можно быстро прототипировать, продолжают увеличиваться. Так компания Nano Dimension продемонстрировала настольный 3D-принтер DragonFly 2020, который может изготавливать функциональные прототипы печатных плат. Это оборудование использует струйную технологию для вывода высокопроводящих наночернил и может производить многослойные платы, включая все соединения между слоями. В то время, когда многие компании ждут дни или недели, чтобы получить прототип платы от внешнего поставщика, аппарат напечатает её за считанные часы.

Пресс-формы и другие инструменты производства

Помимо прототипов, 3D-принтеры используются для изготовления пресс-форм и других приспособлений для производственного оборудования. Пресс-форма нужна для того, чтобы отливать в ней металлы или пластмассы. Как и прототипы, пресс-формы традиционно изготавливались вручную. Поэтому применение 3D-принтеров поможет сэкономить время и деньги крупным производителям. Например, используя принтеры Fortus компании Stratasys, автомобильный гигант Volvo Trucks из Лиона во Франции сократил время, необходимое для изготовления некоторых комплектующих двигателей с 36 дней до 2.

В августе 2016 года американская Oak Ridge National Laboratory напечатала на 3D-принтере инструмент для торцовки и сверления 5,34 x 1,34 x 0,46 м для компании Boeing. Он применяется при строительстве пассажирских самолётов, и был напечатан из армированного углеродным волокном пластика примерно за 30 часов. Раньше изготовление такой детали заняло бы три месяца. Как объяснил Лео Кристодулу из Boeing: Инструменты аддитивного производства, такие как инструмент для триммирования крыла: сэкономят энергию, время, рабочую силу и производственные затраты. Также они являются частью нашей стратегии по применению технологии 3D-печати в производственных областях.

Ещё одно многообещающее применение производство пресс-форм, используемых для литья металлов. 3D-принтеры способны изготавливать требуемые формы, а также любые дополнительные стержни, необходимые для размещения внутри них. Процесс осуществляется путём нанесения тонких слоёв формовочного песка, которые скрепляются связующим веществом. Полученные в результате 3D-распечатка формы отправляется в литейный цех, где в неё заливают расплавленный металл для получения готового изделия.

ExOne одна из компаний, специализирующихся на производстве 3D-принтеров для аддитивного производства при помощи литейного песка. Как утверждает компания, с помощью 3D-печати форм и стержней из литейного песка производители могут не только сэкономить время и снизить затраты, но также повысить точность и отливать более сложные детали. Это связано с тем, что формам и стержням, напечатанным на 3D-принтере, не требуется постобработка, которая могла нанести им повреждения.

Сердечник, отлитый форме, которая изготовлена на 3D-принтере ExOne

3D-принтеры также можно использовать для изготовления пресс-форм, которые нужны для литья пластмассовых деталей под давлением. Такие формы обычно стоят десятки тысяч долларов и традиционно изготавливаются из алюминия. Технически, 3D-принтер уже может изготавливать алюминиевые формы для литья под давлением с помощью металлического порошка. Однако, в настоящее время принтеры изготавливают такие формы из смолы при помощи фотополимеризации. Формы из пластмассы не такие износостойкие, как их алюминиевые аналоги. Однако, они дешевле, быстрее производятся и их можно использовать для изготовления до 200 пластиковых деталей, прежде чем потребуется замена.

Компания Bi-Link, базирующаяся в Блумингдейле штата Иллинойс, занимается 3D-печатью малотиражных пресс-форм для литья под давлением. Она изготавливает детали для производителей электроники и медицинского оборудования по всему миру. Принтер ProJet 3500 HD Max от 3D Systems создаёт форму за часы, вместо недель. Как отметил директор по исследованиям и разработкам Франк Зиберна: Клиенты в восторге от этой услуги. Раньше приходилось ждать две-три недели, чтобы получить только инструменты, не говоря уже о тестовых деталях. С помощью ProJet 3500 HD Max можно изготавливать для одного заказчика четыре различных конструкции в течение шести дней, отправив ему 10-12 деталей для каждой итерации за ночь.

Некоторые компании занимаются созданием машин, способных печатать объекты из воска (или его заменителей), чтобы создавать формы для литья по выплавляемым моделям. Восковой объект печатают на 3D-принтере, затем вокруг него формируют форму из такого материала, как гипс. После форма нагревается, в результате чего воск выгорает и стекает. Затем в форму заливают расплавленный металл или другой жидкий материал для создания готового изделия. Применение 3D-принтеров для создания восковых моделей довольно распространено в производстве ювелирных изделий и других отраслях, специализирующихся на сложных и дорогостоящих предметах. Как и пресс-формы для литья под давлением, восковые образцы являются расходным материалом, поскольку процесс создания готового изделия приводит к их разрушению.

Прямое цифровое производство

На нескольких нишевых рынках, 3D-принтеры уже используются для производства готовых промышленных компонентов и даже потребительских товаров. Такая разработка именуется как прямое цифровое производство (DDM Direct Digital Manufacturing) и приобретает всё большую популярность, например, в авиации. Airbus и Boeing устанавливают десятки тысяч компонентов своих самолётов, напечатанных на 3D-принтере.

К другим отраслям DDM относятся автомобилестроение, медицина, производство ювелирных изделий и обуви. Одним из ведущих пионеров считается Nike. По словам главного операционного директора Эрика Спранка, компания сделала ряд открытий в области дизайна и производства с помощью 3D-печати, которые позволят создавать совершенно новую индивидуальную систему амортизации обуви. С этой целью Nike строит Центр Создания Передовых Продуктов (Advanced Product Creation Center) площадью около 11-ти тысяч квадратных метров для размещения 3D-печати и других технологий проектирования и производства.

Вполне возможно, что в будущем с помощью 3D-принтера будет изготавливаться всё что угодно, включая даже человеческие органы. Наиболее заметно это в стоматологии: восковые модели, ортодонтические аппликации, примерки, хирургические шаблоны и модели виниров теперь печатаются на 3D-принтере.

Помимо создания неорганических протезов, существуют биопринтеры, которые наращивают человеческую ткань, накладывая слой за слоем живые клетки. Такая технология может совершить революцию в области медицины, к примеру, убрав очереди в доноростве органов. Компания Organovo пионер биопечати уже продаёт распечатанные ткани печени и почек для использования при тестировании на наркотики.

В дополнение к биопечати тканей вне тела, биопечать на нём или внутри раны уже находится в стадии разработки. Она включает в себя печать слоёв культивированных клеток непосредственно на рану или даже внутри с использованием методов хирургии замочной скважины. Когда такая технология станет достаточно продвинутой, пациенту просто потребуется ввести инструмент в рану, который удалит повреждённые клетки и заменит их новыми. Эти инструменты смогут даже залечить рану, образовавшуюся при их введении.

Индивидуальное производство

Параллельно с ростом промышленной 3D-печати наблюдается рост индивидуального производства. Это все ситуации, когда предприниматель печатает на 3D-принтере собственные вещи, минуя запуск производства на удалённой фабрике. На рынке уже есть несколько сотен профессиональных 3D-принтеров по цене от 230 долларов.

В дополнение к растущему количеству персональных машин, растёт количество бесплатных и платных трёхмерных моделей, которые можно загрузить для распечатки. На ресурсе Thingiverse размещено более миллиона бесплатных моделей некоторые из них можно адаптировать под требования пользователя. Вполне возможно, что предоставление такого контента станет фундаментом для массового персонального производства, поскольку устранит необходимость в творческих и инженерных навыках.

В настоящее время персональные и профессиональные 3D-принтеры ограничены в возможностях применением термопластика или композитов, а также фотополимерных смол. Поэтому ассортимент и качество изделий, которые можно изготовить на таком оборудовании, остаются низкими. При этом, всё большее количество облачных сервисов 3D-печати, таких как Shapeways и i.materialise, позволяют любому загружать 3D-объект, который будет распечатан на промышленном оборудовании. Скорее всего, именно доступ к такой услуге а не продажа персональных 3D-принтеров станет движущей силой для революции индивидуального производства в течение следующих пяти-десяти лет.

Если большинство людей начнёт изготавливать требуемые им продукты самостоятельно это окажет серьёзное влияние на многие отрасли. Компании, торгующие запчастями, уже опасаются угрозы массового изготовления личных вещей. Того же боятся представители транспортного секторов и логистики, потому что это изменит спрос на их услуги.

В 2014 году IBM Institute for Business Value опубликовал отчёт, в котором выделены четыре варианта будущего для индивидуального производства. И сейчас мы кратко с ним ознакомимся.

• Двумя неизвестными является скорость, с которой будет развиваться технология 3D-печати, и готовность потребителей принять индивидуальное производство. Если технологии будут совершенствоваться медленно, а потребители не станут применять 3D-печать в домашних условиях, тогда мы увидим тихую революцию с постепенными изменениями.

  
  

• Есть и альтернатива: технологии развиваются медленно, но потребители желают стать производителями, тогда нам ждёт производственная революция, когда всё больше необходимых вещей будет изготавливаться мелкими предпринимателями.

  
  

• Ещё один вариант: технология 3D-печати совершит рывок, но потребители оставят её без внимания, тогда такая печать станет основной технологией в промышленном производстве, и не окажет большого влияния на потребительский рынок.

  
  

• И последний ход событий: 3D-печать быстро развивается, а потребители её активно используют, тогда мы станем свидетелями переосмысления потребления. Это означает появление крупных и мелких торговцев, предлагающих продукты, напечатанные на 3D-принтере по вашему запросу. Также появится множество людей, печатающих в своих домах, гаражах, на кухнях или в офисах и ангарах.

  
  

Я же предполагаю, что вовлечение потребителей в 3D-печать будет расти вместе с совершенствованием технологии, но медленными темпами. Это означает, что в течение следующих нескольких десятилетий мы постепенно перейдём от тихой революции к производственной революции, а затем и к переосмыслению потребления.

Развитие индустрии 3D-печати

Существуют различные сегменты рынка 3D-печати, и находятся они на разных стадиях развития. Самые первые 3D-принтеры стали изготавливать прототипы в конце 1980-х годов, а использование печати для создания пресс-форм началось только через несколько лет после этого. Задолго до начала 2000-х появились первые готовые продукты и произведения искусства, распечатанные с помощью этой технологии. Наконец, изготовление на заказ стало возможным только в 2007 году с появлением первых 3D-принтеров с открытым исходным кодом, которые частные лица могли себе позволить.

Я считаю, что половина всех прототипов станет изготавливаться на 3D-принтере уже к 2025 году. Однако, трёхмерная печать не единственная технология быстрого прототипирования. Есть случаи, когда традиционные методы лучше подходят для производства прототипов. Невозможно представить, чтобы изобретатели перестали лепить вещи из глины, дерева, бумаги, металла, и всего остального, что есть в доступе на их кухнях, студиях, лабораториях, мастерских и сараях.

Что касается 3D-печати пресс-форм и инструментов производства этот рынок в настоящее время отстаёт от быстрого прототипирования, но очень скоро станет основой аддитивного производства. Предполагаю, что для его насыщения потребуется минимум десятилетие. Поговорив с производителями промышленных 3D-принтеров я в этом убедился. В большинстве отраслей, 3D-печать пресс-форм и других инструментов представляет крупнейшую рыночную возможность.

В прямом цифровом производстве такое только начинает происходить, хотя в настоящее время, это очень нишевый вид деятельности. Однако, в ближайшие десять лет или около того многие отрасли, в первую очередь авиакосмическая промышленность, автомобильный сектор, здравоохранение, мода, обувь и дизайнерские товары, будут использовать 3D-печать в качестве одной из своих основных производственных технологий. Это позволит создавать совершенно новые виды продукции и привлечёт внимание СМИ. И даже в этом случае, через 10 или 20 лет подавляющее большинство объектов в нашей жизни по-прежнему будет производиться традиционными методами.

Точно так же, в течение многих десятилетий изготовление личных вещей будет составлять нишевый сегмент рынка как в индустрии 3D-печати, так и в общемировом производстве. В настоящее время, не более 10% доходов индустрии 3D-печати формируется за счёт продажи персональных принтеров. Многие такие машины продаются компаниям, а не частным лицам. Но это не означает, что продажа персонального оборудования для домашнего использования не представляет рыночных возможностей.

Можно утверждать, что домашнее производство не станет движущей силой революции 3D-печати и многие участники отрасли, с этим согласны. Тем не менее, буду ждать с нетерпением 3D-принтеров за 99 долларов, которые смогут изготавливать небольшие пластиковые предметы, на основе модели, отправленной с планшета или смартфона.

Изготовление новых продуктов новыми способами

Как и предшествовавшая интернет-революция, 3D-печать позволяет компаниям и частным лицам достигать ранее невозможного. И причина не только в создании прототипов и старых вещей новыми способами. Она делает это в соответствии с новыми бизнес-моделями. Давайте обозначим эти ключевые преимущества.

Разовое и мелкосерийное производство

При использовании традиционных методов, разовое и мелкосерийное производство стоит дорого, а зачастую и непомерно. Когда вещи печатаются на принтере, практически нет разницы в стоимости на единицу то есть не важно требуются 1, 100 или 1000 копий, поскольку нет затрат на инструменты и рабочих. Поэтому во многих ситуациях, когда требуется несколько сотен или меньше компонентов, 3D-печать станет наиболее экономичным способом. Именно по этой причине, 3D-печать так широко применяется в быстром прототипировании и находит всё большее применения при производстве пресс-форм и других инструментов.

Джей Лено, который увлекается коллекционированием автомобилей, уже пользуется 3D-печатью для разового производства. В качестве примера: когда на редком концептуальном автомобиле EcoJet потребовалось заменить некоторые сломанные вентиляционные отверстия, он обратился в 3D Systems. Компания отсканировала сломанные детали, отремонтировала их в цифровом виде с помощью программы CAD и отправила полученные данные поставщику услуг Quickparts. Там новые вентиляционные отверстия напечатали на 3D-принтере из лёгкого нейлонового материала с наполнителем из волокон под названием DuraForm HST. В результате были получены надёжные запасные части, у которых соотношение прочности и веса стало лучше, чем у оригинала.

3D-печать используют при изготовлении реквизита для телешоу, кино и театральных постановок. С помощью этой технологии SpaceX печатает камеры двигателя космического корабля Crew Dragon, а NASA напечатала около 70 деталей для марсохода.

Кастомизация и персонализация

Помимо упрощения мелкосерийного производства идентичных вещей, трёхмерная печать позволяет настраивать продукцию в соответствии со вкусами покупателя и его физическими потребностями. Например, компания Robot Bike Co. использует технологию, чтобы изготавливать раму горного велосипеда R160 под заказ. Она создаётся из углеродного волокна, проходящего между титановыми выступами, которые печатаются на 3D-принтерах Renishaw. На сайте Robotbike.co покупатель вводит свой рост, размер ног и размах рук, что позволяет получить раму индивидуально под себя.

Велосипед R160 отличный пример реального продукта, который сочетает в себе детали, напечатанные на 3D-принтере, с другими стандартными компонентами. Это позволяет предложить продукт в соответствии с индивидуальными запросами экономичным способом. Я уверен, что, со временем, многие компании осознают потенциал изделий на заказ путём 3D-печати определённых деталей.

Оптимизация дизайна и сборки

Ещё одно ключевое преимущество 3D-печати состоит в том, что она снимает ограничения традиционных методов производства. Хотя дизайнер может придумать любой дизайн продукта, но если его компоненты нельзя отлить в форму, обработать и собрать продукт никогда не появится на рынке. А в дивном новом мире 3D-печати можно создавать вещи, которые ранее было невозможно изготовить. Например, такой принтер может изготовить цепочку или ожерелье, состоящее из звеньев, которые не имеют разрывов и, следовательно, никогда не разойдутся.

Команда TransFIORmers, участвующая в соревнованиях по мотогонкам, использовала 3D-принтер Renishaw для печати из металла, чтобы изготовить новую подвеску оптимизированной конструкции. Первоначальный вариант вручную изготавливался из стали, и при этом для сборки требовалось двенадцать деталей, которые необходимо сваривать вместе. Но с помощью 3D-печати, команда смогла объединить конструкцию в единый титановый компонент, который не требовал сборки, что привело к снижению веса на 40% критически важной характеристики для гонок.

Используя пластмассовые или полимерные материалы, некоторые принтеры могут создавать рабочие, предварительно собранные, составные механизмы, такие как коробка передач. Традиционно, производство многокомпонентных изделий включает этап окончательной сборки. Но когда вещи напечатаны на 3D-принтере в этом нет необходимости.

Свободный доступ к рынку

Помимо улучшения характеристик продуктов, трёхмерная печать позволит гораздо большему количеству людей стать производителями. Это связано с тем, что стоимость прототипов и производственных инструментов больше не будет чрезмерно высокой, поэтому 3D-печать делает малотиражное производство всё более жизнеспособным. Но что важнее, доступность сервисов услуг 3D-печати позволит практически любому талантливому художнику или дизайнеру найти рынок для своих творений.

Сегодня, частному лицу или даже небольшой компании, очень сложно вывести продукт на рынок, не говоря уже о глобальном масштабе. Одно из немногих исключений это книгоиздание, где автор может создавать и распространять продукт, который печатается по запросу. Например, жители Великобритании могут заказать печатную книгу через Amazon и в течение восьми часов им доставят книгу, напечатанную на складе корпорации. Это нововведение позволяет авторам продавать книги без предварительной печати и распространения.

Аналогичным образом, 3D-печать позволяет отдельным дизайнерам выпускать продукты на рынок без вложений в оборудование и предварительно изготовленные копии. Например, более 8 тысяч дизайнеров уже открыли интернет-магазины на площадке поставщика услуг 3D-печати компании Shapeways. В качестве примера, рассмотрим магазин известного создателя ботов Кидмехано (Kidmechano). Его творением являются Modibot, которые представляют собой постоянно расширяющуюся линейку фигурок, напечатанных на 3D-принтере, с шарнирной конструкцией. Можно сравнить Modibot с Lego или Трансформерами.

Кидмехано использует платформу Shapeways для продажи более 400 различных фигурок и аксессуаров ModiBot, включая доспехи и оружие. Цены начинаются от нескольких долларов, и когда заказ сделан, Shapeways печатает всё, что требуется, отправляя готовый продукт покупателю, а Кидмехано его долю выручки.

Цифровое хранение и транспортировка

Помимо обеспечения возможности мелкосерийного производства, экономичности и демократизации доступа к рынку, 3D-печать упростит хранение цифровых объектов и их транспортировку. Это означает, что в будущем станет два варианта отправки посылки. Первый заключается в отправке физического товара курьером или по почте, а второй передачей цифрового файла через интернет для 3D-распечатки на месте получателем.

Многие регулярно публикуют тексты, фотографии и видео в интернете, а благодаря 3D-печати цифровые объекты скоро будут добавлены в социальные сети. Таким образом, делая возможным цифровое хранение и транспортировку, 3D-печать сделает с вещами то, что компьютеры и интернет уже сделали для хранения и передачи информации.

В некоторых отраслях хранилище цифровых объектов уже начинает приносить пользу. Например, большинству стоматологов традиционно приходилось хранить огромное количество гипсовых слепков, снятых с ротовой полости пациентов. Хотя они использовалось только один раз, не было возможности предсказать: потребуются ли они в будущем, что привело к архивам с коробками и шкафами, заваленным гипсовыми моделями. Но теперь стоматологи переходят на цифровые технологии: 3D-сканеры и 3D-принтеры заменяют альгинатные формы и гипсовое литье. Это позволяет сохранять оттиски ротовой полости пациента в цифровом виде, для будущей 3D-распечатки в случае необходимости.

Экономия материалов и последствия для экологии

Помимо вышеупомянутых возможностей, 3D-печать экономит материалы производителям, что особенно важно для устойчивого развития. Сегодня, фабрики начинают производство с блока металла или другого сырья, а затем режут его: обрабатывают токарным станком, напильником, сверлом или иным образом, чтобы сформировать окончательный продукт. Напротив, 3D-печать это аддитивная деятельность, которая берёт такое количество материала, из которого состоит готовое изделие. Поэтому, мы получаем значительную экономию сырья, если изготавливать вещи при помощи этой технологии.

Кроме того, продукты 3D-печати могут иметь внутреннюю структуру, оптимизированную под расход минимального количества материалов. К примеру, пластиковые или металлические детали, напечатанные на принтерах, могут изготавливаться с внутренними полостями или открытой решёткой чего почти невозможно добиться с использованием большинства традиционных технологий. Опять же, это приводит к экономии материалов, а также к созданию более лёгких деталей, которые, например, уменьшат потребление топлива самолётов и других транспортных средств.

3D-печать может оказаться краеугольным камнем будущего перехода к местному цифровому производству (LDM Local Digital Manufacturing). Сегодня большая часть производства осуществляется на заводах, удалённых от своих клиентов. Как следствие, на хранение и транспортировку уходят огромные количества нефти и других ресурсов. Учитывая сокращение запасов природных ресурсов и меры по борьбе с изменением климата в течение одного-двух десятилетий, такие способы перевозки и хранение могут оказаться невыполнимыми или культурно неприемлемыми. Таким образом, защита экологии может оказаться силой, стимулирующей массовое внедрение 3D-печати, чтобы способствовать изготовлению товаров на местных производствах.

Трудности можно преодолеть!

Как и любая новая технология, 3D-печать может иметь как негативные, так и позитивные последствия. К примеру, есть опасения, что дальнейшее её развитие сократит рабочие места. И это вполне вероятно для некоторых профессий. В особенности для тех, кто производит прототипы, пресс-формы и инструменты традиционными методами.

Вполне возможно, что занятость в странах, которые готовят продукцию на экспорт, станет сокращаться по мере освоения технологией местными производствами. В своём обращении О положении страны 2013 года президент Обама отметил 3D-печать, как технологию, способную произвести революцию во всём, что мы делаем, и таким образом вернуть рабочие места из Азии обратно в США. Другими словами, глобальные экономические последствия развития 3D-печати были признаны на правительственном уровне одной из крупнейших экономик мира.

Очевидно, что трёхмерная печать поможет создать и новые рабочие места. Пройдет ещё много времени, прежде чем мы сможем печатать готовые продукты на 3D-принтере без помощи квалифицированного специалиста. По мере распространения технологии появятся новые вакансии, и такая занятость будет равномерно распределяться по региону что не характерно для промышленных революций прошлого.

Некоторые отрасли также могут выиграть от распространения 3D-печати. Не в последнюю очередь, логистический сектор уже осознаёт эти возможности. Например, в июле 2014 года, в публикации Почтовой Службы США отмечалось, что оператор услуг может получить огромную выгоду от распространения 3D-печати по причине ожидаемого увеличения доставок мелких посылок. В частности, прогнозировалось, что технология может привести к увеличению доходов местной службы доставки посылок на 486 миллионов долларов в год. Прогноз основывался на предположении, что большинство товаров, напечатанных на 3D-принтере, будут производиться в местных бюро обслуживания, откуда их нужно будет доставлять к домам людей.

Помимо воздействия на занятость, есть ещё две проблемы: нарушение прав интеллектуальной собственности и использование 3D-печати в преступных целях. Уже сейчас можно использовать бытовое оборудование для сканирования объекта, например модели Микки Мауса, а затем печати его пластиковой копии. Подобно тому влиянию, которое музыка в формате mp3 и интернет оказали на музыкальную индустрию, 3D-печать может повлиять на права интеллектуальной собственности.

Что ещё тревожнее, уже возможно напечатать огнестрельное оружие на 3D-принтере. В настоящее время, персональный 3D-принтер за 230 долларов способен изготовить только одноразовый пластиковый пистолет. Но когда появится доступная возможность печати из металла, у нас возникнут серьёзные проблемы.

Последнее минное поле, связанное с 3D-печатью и изготовлением личных вещей, это здоровье и безопасность. Сегодня почти все продукты, которые мы покупаем, соответствуют определённым стандартам и проходят испытания. При этом производители несут ответственность за любые несчастные случаи и травмы, которые могут возникнуть в результате выхода их из строя или неисправности. Но кто будет нести ответственность, если, например, ребёнок загрузит бесплатную игрушку с сайта, распечатает её и отдаст младшему а тот проглотит отломанный от неё кусок и задохнётся? Будет ли вина лежать на человеке, разработавшем объект; сайте, через который он был опубликован, производителе 3D-принтера, поставщика расходных материалов или на родителе, который это допустил? Сейчас нет ответа на этот вопрос. И довольно скоро, мы не сможем это игнорировать.

В мире первопроходцев

Революция 3D-печати, как и любая другая технологическая революция продукт действий, энергии и видения тех людей, которые достаточно храбры, чтобы её осуществить. За последние несколько лет мне посчастливилось взять интервью у многих пионеров 3D-печати. И поскольку моя цель захватить ваше воображение, а не сосредотачиваться на деталях и технических подробностях, поэтому я задал им фундаментальный вопрос: Почему вы выбрали именно эту технологию?.

Одним из первых, с кем я общался, стал Ансси Мустонен руководитель финской компании по 3D-печати и дизайну AMD-TEC. По мнению Ансси, 3D-печать позволяет предоставить клиентам качественный уровень обслуживания:

Мы живем в беспокойном мире, но благодаря этой технологии можно предоставить клиентам качественные услуги. Что касается прототипов: у меня нет времени программировать и отправлять заказы внешним поставщикам для получения деталей. 3D-печать не единственный способ изготовления, но она быстрее при создании сложных форм и конфигураций, чем традиционные методы.

Константин Иванов, соучредитель и генеральный директор 3DPrintus.ru, рассказал мне, как технология позволяет предлагать новые виды продуктов и услуг:

3D-печать предоставляет решения, которые находятся на пересечении производства и цифровых технологий интернета. Наши клиенты открыли для себя лёгкий способ создания и производства практически всего. Я уверен, что главное преимущество для них это возможность использовать простой интерфейс, чтобы получить свой продукт.

Гэри Миллер, управляющий директор сервиса услуг печати 3D Print Bureau в Великобритании, рассказал похожую историю, хотя и с осторожностью в прогнозах:

Мы используем 3D-печать, потому что это быстрее: сокращается время выполнения заказа и доступна практически любая геометрия! Я начинал с принтера Objet более десяти лет назад, тогда был всего один материал. Прошли годы, и теперь есть около 2 тысяч материалов для печати. Только представьте, где мы будем через десять лет! Правда, сколько бы сырья у вас ни было, нужно передать его в надёжные руки. Нужен опыт в своей отрасли, чтобы понять, где эта техногия подходит, а где только увеличит стоимость. Раньше, скептически относился к тому, что 3D-печать перейдет в производство, но, в первой половине 2016 года, мы наблюдали прогресс и увеличение заказов. Приятно наблюдать, как развивается 3D-печать и появляются новые материалы.

Один из самых интересных разговоров состоялся с Джоном Коббом, исполнительным вице-президентом по корпоративным вопросам гиганта 3D-печати Stratasys в США. Вскоре после начала разговора, Джон сосредоточился на потенциале технологии для изменения дизайна и распространения продукции:

В 3D-печати много внимания уделяется её адаптации к традиционным производственным процессам. Меняются основы дизайна, что позволяет изменить способ производства продуктов, а затем методы распространения. Представьте, что возникла проблема с водопроводом. Вы фотографируете это на смартфон и отправляете в Home Depot (американская торговая сеть по продаже инструментов для ремонта и стройматериалов). И уже через час или два собираете трубопровод заменив нестандартную деталь. Возможно, на это уйдёт ешё лет пять, но мы уже движемся в этом направлении.

Миранда Бастийнс, директор бельгийской службы 3D-печати i.materialise, сосредоточила внимание на новых рыночных возможностях с другой точки зрения:

Трёхмерная печать помогает создать мир, в котором продукты соответствуют нашим ожиданиям или индивидуальному стилю, и где у каждого есть возможность владеть чем-то уникальным. Вещи не только лучше удовлетворяют потребности и интересы потребителей, но и появляется возможность продавать собственные товары другим. Например, ювелирный дизайнер может предложить новое кольцо мировой аудитории и проверить спрос на дизайн. Если заказов нет это больше не проблема (печать только по запросу) а если есть, то кольца будут распечатаны, доставлены заказчику, а творец получит свою долю выручки.

Люси Бирд, основатель компании Feetz, также признает потенциал 3D-печати для создания продуктов с лучшей посадкой. Feetz это цифровой сапожник, который использует 3D-принтеры для изготовления обуви по индивидуальному заказу. Как сказала мне Люси:

Эта технология меняет способы производства и потребления вещей. Мы можем изготавливать персонализированные продукты расходуя меньше ресурсов, а переработать их будет гораздо проще.

Марк Сондерс директор Центра Глобальных Решений (Global Solutions Centres) компании Renishaw, производящей 3D-принтеры. Он также сосредоточился на возможностях, которые технология предлагает производителям:

Всё больше компаний стремятся использовать потенциал 3D-печати для улучшения характеристик продукции, делая её более эффективной и лучше адаптированной к применению. Уникальная возможность создавать сложные геометрические формы из высококачественных материалов открывает огромный потенциал для инноваций как в дизайне продуктов, так и в бизнес-моделях. Мы ожидаем, что аддитивное производство будет играть ключевую роль в дальнейшем развитии процессов и улучшении продуктов.

Наконец, Сильвен Премонт основатель магазинов 3D-принтеров iMakr и сайта My Mini Factory, посвящённого 3D-контенту, отметил, как технология раскрепощает воображение:

Доступность трёхмерной печати даст волю творчеству: мы сможем изобретать, проектировать и изготавливать практически всё в кратчайшие сроки и по невысокой цене. Также появится возможность загружать контент, готовый к печати и легко адаптируемый к собственным потребностям. Следующее поколение будет спрашивать своих родителей: а как вы раньше обходились без 3D-принтера?

Новый рубеж

Как видно из интервью, 3D-печать продолжает вызывать интерес среди её пионеров. И многие крупные производители, применяющие традиционные технологии, уже меняют направление в сторону этой технологии.

Никто не может предсказать будущее 3D-печати. Тем не менее, есть веские основания полагать, что технология окажет радикальное воздействие на многие производственные сектора. В настоящее время большинство 3D-принтеров всё ещё печатают прототипы. Но менее чем через десять лет это изменится. Вполне возможно, что в будущем, десятки миллионов людей станут летать на самолётах с печатными компонентами, стоматологические кабинеты станут оснащать оборудованием, напечатанном на 3D-принтере, и мы будем носить обувь с печатными деталями.

---

Это только первая глава из книги Кристофера Барнатта 3D Printing. Вот, о чём автор поведает в продолжении:

В оставшихся главах книги я намерен исследовать мир 3D-печати, основываясь на конкретных примерах, информацию о поставщиках, исследованиях, отчетах компаний, интервью и других источниках. Также выскажу собственные взгляды и мнение. Но главное предоставлю читателю достаточно информации, чтобы решить, является ли 3D-печать следующей промышленной революцией.

Книгу можно приобрести как в цифровом, так и печатном варианте через сайт автора.
Также, на его ютуб-канале есть записи с выставок TCT Show 2017-2019 годов, на которых представляют последние разработки в 3D-печати.