Аддитивные технологии

Несмотря на свою якобы внезапную популярность в последние годы, аддитивные технологии впервые увидели свет еще в 1971 году. Долгое время 3D-принтеры использовались исключительно для производства функциональных или эстетических прототипов, а сама технология носила название быстрое прототипирование. Стремительное развитие вычислительной техники привело к появлению разных методов реализации аддитивных технологий: от лазерной стереолитографии (SLA) до более знаменитой 3D-печати (3DP). Другой термин, появившийся еще в 1894, это гидрогель полимер, способный поглощать воду (если очень утрировано). У гидрогелей, как и у аддитивных технологий, множество применений: медицина, фармакология и даже энергетика. И вот ученые из университета Северной Каролины решили объединить 3D-печать и гидрогель для создания гидрогелевых структур с желаемыми свойствами. На Хабре была новость об этой разработке, но мы попробуем копнуть глубже. Из чего состоит изучаемый гидрогель, какими свойствами его можно наделить, и что из него можно сделать? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Для начала стоит в двух словах пояснить, что такое гидрогель. Это сеть из пересекающихся полимерных цепей, способных равновесно и обратимо набухать в воде и водных растворах. Основой гидрогеля являются гидрофильные молекулы.

Проблема классических гидрогелей, изготовленных из полимерных сетей в воде, состоит в том, что они мягкие и хрупкие, т.е. им не хватает упругости и прочности. Из-за этого применение гидрогелей в различных отраслях (робототехника, тканевая инженерия и т.д.) сильно ограничено.

Эластичность гидрогелевых материалов может быть улучшена путем объединения взаимопроникающих ковалентных и ионных полимерных сетей с образованием сильно растяжимых и прочных структур. Другой метод улучшения механических свойств гидрогелей основан на использовании наполнителей с высоким коэффициентом формы (высокое отношение длины наполнителя к диаметру его поперечного сечения). Это позволяет механически усилить гелевую матрицу. Однако использование наполнителя из материала, отличного от материала матрицы, приводит к возникновению напряжения на поверхностях интерфейсов, которые вызывают образование трещин при деформации или нагревании.

Противоположный метод основан на применении однополимерных композитов или так называемых гомокомпозитов. Мезомасштабная усиливающая сеть гомокомпозитов сделана из материала, который химически идентичен материалу первичной матрицы. Сети гомокомпозитного армирования позволяют модулировать механические свойства первичной (основной) матрицы без напряжения, точек расслоения и т.д. Звучит очень многообещающе, но и тут есть проблема изготовление HHG (от homocomposite hydrogel, т.е. гомокомпозитный гидрогель) является крайне сложным процессом из-за отсутствия методов создания армирующих сетей с тем же химическим составом, что и матрица гидрогеля.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают новый тип HHG, в котором как первичная гелевая матрица, так и армирующая сеть состоят из альгината натрия (SA от sodium alginate; C₆H₉NaO₇). Эти HHG усилены фибриллярной сетью альгинатных мягких дендритных коллоидов (SDC от soft dendritic colloid). SDC это иерархически структурированный класс мягкой материи, синтезированный посредством процесса осаждения, вызванного сдвигом, в турбулентной среде.

Высокая степень разветвления вокруг ядер частиц SDC делает их морфологически похожими на полимерные молекулярные дендримеры. Однако SDC намного больше, чем эти дендримеры. Ученые считают, что иерархически разветвленные SDC могут быть отличным вариантом для эффективного армирования композитных материалов. Важен тот момент, что ответвления SDC покрывают большую площадь поверхности, что может повысить стабильность композита за счет более равномерного распределения нагрузки.

Результаты исследования

Первым делом необходимо было изготовить мягкие дендритные коллоиды из альгината (т.е. SDC), которые должны были послужить армирующими сетками. Для этого было использовано турбулентное осаждение. Для получения SDC гидрогеля раствор альгината (120190 кДа) вводили в водный раствор ионов Ca²⁺, которые эффективно связывают две -COO- боковые группы на основной цепи альгината (1а).


Изображение 1

Процесс осаждения приводит к образованию SDC с характерной иерархической морфологией (1b) с разветвлением разного масштаба и поколениями (вторичными ответвлениями) волокон. Фактически SDC состоят из волокон микронного размера, которые многократно разветвляются на все более тонкие волокна. Самый внешний слой (корона), окружающий каждый SDC, состоит из гибких нановолокон, толщина которых может достигать 10 нм (1b). Нановолокна в коронах наделяют их физической адгезией, которая является основным фактором способности дендриколлоидов создавать структурную прочность коллоидной сети. Конечный размер обычных SDC, включая их корону, находится в диапазоне 100500 мкм.

Далее необходимо было оценить вязкоупругие свойства водных суспензий SDC. В первую очередь ученые проверили, образуют ли альгинатные SDC гидрогели коллоидной сети при низких объемных долях в воде. В теории в водных суспензиях контактирующие SDC будут прочно прилипать за счет сил Ван-дер-Ваальса с образованием перколяционной* сети субконтактов разветвленных волокон (2a).

Перколяция* в химии явление протекания или непротекания жидкостей через пористые материалы.

Изображение 2

Оценка модулей накопления (G') и потерь (G) суспензий SDC в линейной вязкоупругой области показала, что SDC имеют сильную склонность к образованию коллоидных сетей.

Динамический модуль*: совокупность динамического модуля G может быть использована, чтобы представить соотношение между колебательным напряжением и нагрузкой:

G = G +iG

где i² = -1; G модуль накопления; G модуль потерь.

Предел текучести наблюдался в водных суспензиях 0.25 мас.% SDC, т.е. при более низкой концентрации, чем в большинстве типов обычных коллоидных гелей.

Суспензия 1.0 мас.% SDC показала значение G '= 200 Па, тогда как заявленное значение для 1.0 мас.% альгинатных микрогелей должно быть 10100 Па. Т.е. суспензии SDC обладают более выраженными твердоподобными характеристиками, чем суспензии обычных альгинатных частиц.

Непрерывная фаза HHG состоит из молекулярного альгинатного геля, объединенного ионами Ca²⁺. Первым делом ученые проанализировали свойства молекулярных гидрогелей, содержащих из 1.0 мас.% связанного альгината, но без SDC. Гидрогель был получен путем добавления наночастиц CaCO₃ и -лактона D-глюконовой кислоты (GDL) к раствору SA. Поскольку GDL подвергается гидролизу и понижает pH, CaCO₃ медленно высвобождал ионы Ca²⁺. Спустя 2 часа уравновешивания были получены данные касательно вязкоупругих свойств гидрогеля (2c). При концентрации CaCO₃ выше 0.05 мас.% гидрогель вел себя как твердое вещество. При дальнейшем введении Ca²⁺ в гидрогель его жесткость продолжала увеличиваться. Но при CaCO₃ выше 0.2 мас.% наблюдался синерезис (старении структуры) гидрогеля с последующим выделением воды. В результате было установлено, что для поддержания стабильности гидрогеля в его составе должно быть 1.0 мас.% SA и 0.1 мас.% CaCO₃.

В итоге у исследователей было на руках две составляющие, которые требовали объединения, SA SDC (альгинатные мягкие дендритные коллоиды) и молекулярная матрица SA CMH (альгинатный гель, связанный ионами Ca²⁺).

Было синтезировано множество гибридных HHG, где общая концентрация SA поддерживалась на постоянном уровне в 1 мас.%, а отношение SDC к CMH варьировалось.


Изображение 3

Все образцы, полученные таким путем, демонстрировали характеристики твердого вещества (3a). Характерные кривые напряжение-деформация (3b), полученные при испытании на механическое растяжение, также демонстрируют, что гибридные HHG имеют большую жесткость, чем гели только из SDC или CMH. На графике 3c показаны данные измерений растяжения-деформации и реометрии всех образцов. Анализ этих данных показывает, что гомокомпозитные системы, содержащие смешанные SDC и CMH, проявляют сильный синергетический эффект. Значения комплексного модуля (G) и модуля Юнга (E) для гомокомпозитных гелей показали трехкратное увеличение с максимумами при низких отношениях SDC к CMH.

Однако это нельзя приписывать исключительно увеличение концентрации Ca²⁺ в гомокомпозитной системе. Так максимальный модуль сдвига в HHG (G = 950 Па при 0.125 мас.% SDC / 0.875 мас.% CMH) не соответствует самой высокой концентрации Ca²⁺, поскольку дальнейшее увеличение доли SDC снижает получаемую жесткость HHG.

Следовательно, сильный синергетический эффект, приводящий к увеличению механической прочности HHG, может быть непосредственно связан с физическим переплетением молекулярной SA и коллоидных сетей SDC (3d). Полученная структура сохраняет стабильность в большинстве сред, но может быть легко разрушена путем помещения ее в растворы сильных хелатирующих агентов, таких как ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота; C₁₀H₁₆N₂O₈).

Ученые отмечают, что еще одной важной особенностью разработанного гибридного гидрогеля является возможность менять кинетику его гелеобразования в зависимости.

Сначала была выполнена проверка зависимости гелеобразования от времени трех вариантов образцов: SDC, CMH и композитный HHG (концентрация SA у всех была одинаковой 1 мас.%).


Изображение 4

На графике 4a представлены результаты анализа чистой суспензии SDC. Видно, что SDC сразу проявляет твердое поведение без добавления CaCO₃ или GDL. Это объясняется тем, что формирование этой сети происходит за счет контактного расщепления и переплетения фибриллярных дендриколлоидов.

С другой стороны, чистый CMH сначала проявляет жидкое поведение и постепенно затвердевает по мере высвобождения связывающего агента Ca²⁺ в результате гидролиза. CMH становится полностью связанной структурой спустя 120 минут (4b).

Важно отметить, что зависимая от времени эволюция HHG напрямую зависит от кинетики, с которой SDC и CMH (основные составные элементы HHG) собираются в сети. Изначально происходит затвердевание HHG из-за гелеобразования механически жесткой сети SDC. Затем формируется более прочный гидрогель, поскольку взаимопроникающая молекулярная сеть CMH становится связанной ионами Ca²⁺ (4c и 4d).

Эти свойства материала показывают контролируемые начальные напряжения текучести и медленное нарастание эластичности гидрогеля с течением времени. Следовательно, подобный материал можно использовать в 3D-печати, что ученые и решили проверить на следующем этапе исследования.

Факт того, что созданный гидрогель является гомокомпозитной системой, позволяет точно контролировать его свойства. За счет этого такой гидрогель можно использовать в 3D-печати с помощью экструзии, что ранее было крайне сложной задачей. Для примера, оба SDC и CMH не пригодны для экструзии в своей чистой форме, в отличие от гибридного HHG.

Возможность контролировать свойства гидрогеля позволяют создать чернила для экструзии, в которых не зависящие от времени предел текучести и время затвердевания могут быть настроены так, как это угодно человеку.

Синергетический эффект в смешанных композитах SA-SDC.

Поскольку 3D-принтер применяет перепад давления, превышающий предел текучести HHG, экструдированная форма сохраняется за счет быстрого гелеобразования сети SDC (4c, видео выше).


Изображение 5

Важно и то, что разработанный гидрогель можно было использовать для печати в обычных условиях без дополнительной обработки или подготовки материала (5а). Примечательно, что G чистой суспензии SDC (1500 Па) почти на четыре порядка больше, чем у смеси CMH при до добавления GDL (0.5 Па; 5b).

Несмотря на максимальную жесткость геля HHG, возникающую при более низких относительных соотношениях SDC/CMH (4c), HHG с более высоким относительным содержанием SDC давали больше нитей с улучшенным наслоением (видео ниже).

3D-печать многослойной структуры путем экструзии.

На 5a и 5c показан процесс 3D-печати гомокомпозитного гидрогеля методом прямой экструзии. HHG экструдируется через сопло (25 G, внутренний диаметр 0.26 мм) при 140 кПа, и гель сохраняет свою форму благодаря пределу текучести (80 Па). Дополнительное формирование структур в z-направлении может быть достигнуто путем наложения последовательных слоев, которые, как было обнаружено, хорошо прилегают к нижележащим. Ученым удалось добиться аддитивной печати более 10 слоев гидрогеля в вертикальном направлении без снижения скорости экструзии. После затвердевания (60 минут) готовую напечатанную структуру можно было легко удалить с подложки (5d). Если же есть необходимость в структуре больших размеров, то тут необходима поэтапная экструзия, дающая дополнительное время для затвердевания геля, также необходимо увеличить предел текучести материала за счет изменения состава HHG.

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

Эпилог

В данном труде ученые продемонстрировали свое удивительное творение композитный гидрогель, свойствами которого можно манипулировать в зависимости от потребностей конечного пользователя. Созданный ими гидрогель отлично подходит для 3D-печати посредством экструзии, чем не могли похвастаться предшествующие гидрогели.

Ученые заявляют, что материалы на водной не отличаются особой прочностью, они хрупкие и мягкие, что вполне ожидаемо. Однако, если объединить альгинатные мягкие дендритные коллоиды и альгинатный гель, связанный ионами Ca²⁺, то можно получить гидрогель с повышенной прочностью. Другими словами, они объединили два разных гидрогеля в один, свойства которого превосходят свойства его составных.

К вариантам применения нового гидрогеля его создатели относят медицину, пищевую промышленность и мягкую робототехнику. Но до полноценного использования еще далеко, так как гидрогель требует доработок. В частности, ученые хотят изменить гидрогель так, чтобы его можно было применять в 3D-печати биомедицинских инъекционных материалов.

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?

В последние десятилетия аддитивные технологии, также известные, как 3D-печать, всё чаще встречаются на производстве. Они, в первую очередь, хорошо подходят для прототипирования новых продуктов между разработкой и тестированием проходит мало времени. Однако их всё больше используют и в производстве всякого, от небольших партий товаров до сделанных на заказ корпусов, и даже компонентов ракетных двигателей.

Очевидное преимущество аддитивных технологий состоит в том, что они используют неспецифическое оборудование и обычные материалы в качестве ресурсов, им не нужны дорогие формы, как в случае литья под давлением, и не требуется долгий и производящий много отходов процесс обработки на фрезерных и подобных станках. Всё производство сводится к подаче на вход устройства печати 3D-модели и одного или нескольких входных материалов и это устройство превращает 3D-модель в физический предмет с очень небольшим количеством отходов.

В ядерной индустрии не обошли вниманием эти преимущества. В итоге на 3D-принтерах изготавливаются различные компоненты от тех, что поддерживают работоспособность существующих реакторов до инструментов, помогающих обработку отработанного топлива и даже ядерных реакторов целиком.

Это вам не обычное моделирование методом наплавления

Любой пользователь 3D-принтера, работающего с пластиками PLA, ABS или чувствительной к ультрафиолету резиной SLA может подтвердить, что стоимость производства предметов таким способом сложно перебить. Процесс производства всего, от сломавшейся шестерёнки в двигателе до специального корпуса новой печатной платы, будет быстрее и дешевле традиционных если речь идёт об изготовлении небольшого количества экземпляров.


В Relativity Space печатают двигатель Aeon Engine

Именно из-за этого аэрокосмическая индустрия, от НАСА до стартапов из этой области, тепло относится к использованию аддитивных технологий для прототипирования и непосредственно производства. Ракетные двигатели и их бесчисленные компоненты, включая турбонасосы и клапаны, идеально производить при помощи 3D-печати. Каждый прототип двигателя отличается от предыдущего, а всего их производят по нескольку сотен в год как в случае с двигателем Merlin 1D от ракеты SpaceX Falcon 9. Стартапы, в частности, Relativity Space, предполагают, что использование аддитивных технологий полностью преобразит космическую индустрию.

Естественно, тут уже речь идёт не о принтере стоимостью до $2000, изготавливающем по FDM-технологии (моделирование методом послойного наплавления) детальки из пластика PLA или ABS. И даже не о модных SLA-принтерах (лазерная стереолитография), стоимостью в автомобиль. Чтобы печатать алюминиевые, или даже титановые детали, нужен SLM-принтер (избирательное лазерное плавление), он же принтер прямого лазерного плавления металла. Это ещё один шаг после принтеров SLS (селективного лазерного спекания), связывающих материалы вместе (нейлон, металл, керамику или стекло), но не плавящих их.

SLM похоже на SLA, только принцип печати получается обратным. Свежий металлический порошок добавляется сверху печатаемой детали, лазер расплавляет его и добавляет новый слой. Всё происходит в герметичном контейнере, заполненном инертным газом во избежание окисления. Можно догадаться, что машины для SLM стоят уже примерно как целый дом.

Для сравнения на сайте All3DP есть такая табличка, где перечислена стоимость изготовления стандартной модели кораблика Benchy при печати из различных металлов.

Ядерный реактор

Следующим естественным шагом аддитивных технологий будет переход от теплового ада ракетного двигателя к более спокойной хотя и, возможно, более радиоактивной среде ядерного реактора. Ядерные реакторы выгодно изготавливать в большом количестве, тогда работает экономия на масштабе. Однако за последние десятилетия в США, к примеру, этот рынок практически исчез, хотя раньше он был достаточно обширным.

Когда бывшие гиганты ядерной индустрии захотели снова вернуться в игру США с реактором AP1000 и Франция с реактором EPR обнаружилось, что точно такие же АЭС были построены в Китае (имеющем сильную ядерную промышленность). 4 реактора AP1000 и 2 реактора EPR подключили к энергосети за много лет до того, как в странах, разработавших их, планируется их построить и подключить. Иронично, что охлаждающие насосы в AP1000, произведённые в США, подвержены постоянным отказам.

Проблема любого значительного инфраструктурного проекта в наличии нужных знаний и цепочек поставки. Когда страна регулярно строит и поддерживает АЭС, в ней сохраняются и цепочки поставок, и специалисты, требуемые для работы с ними. Когда страна прекращает строить новые АЭС на несколько десятилетий, цепочки поставок исчезают, а знания утрачиваются. Конечно, можно заново отстроить всё производство и привлечь людей, однако есть смысл рассмотреть более эффективные подходы к производству подобного оборудования.

В попытке США догнать такие страны, как Канаду, Россию [находящуюся на первом месте в мире по количеству строящихся АЭС] и Южную Корею, министерство энергетики США поставило перед Ок-Риджской национальной лабораторией задачу возглавить программу Transformational Challenge Reactor (TCR). Программа должна продемонстрировать революционный подход к развёртыванию новых систем ядерной энергии. По сути, цель проекта печатать на 3D-принтерах как можно больше микрореакторов для демонстрации возможностей, предлагаемых аддитивными технологиями.

Работа над деталями

Совместно с Аргоннской национальной лабораторией (ANL) и Национальной лабораторией Айдахо (INL) ORNL прорабатывает множество деталей, связанных с таким радикальным изменением производственного процесса, с учётом повышенных требований к материалам, используемым на ядерном реакторе. Встают вопросы о тепловой деформации и усталости материалов по сравнению с компонентами, изготовляемыми обычным способом. Некоторые из результатов этих исследований описаны в новой работе, по которой можно получить представление о количестве труда, вложенного в исследование жизнеспособности подобного подхода.

ANL уже публиковала открытия, сделанные в процессе SLM-печати при использования высокоскоростной съёмки в рентгеновском диапазоне, позволяющей в деталях рассмотреть процесс. Одна из основных обнаруженных ими проблем связана с вынужденным потоком воздуха, из-за которого более холодный материал засасывает в расплавленную массу. В итоге эти кусочки холодного материала приводят к появлению дефектов в готовом изделии.

В списке фактов проекта TCR описано, что микрореактор должен будет использовать топливные частицы TRISO (нитрид урана), замедлитель нейтронов из гидрида иттрия и ядро из карбида кремния и нержавеющей стали, напечатанное на 3D-принтере. Охлаждаться реактор будет гелием, что довольно уникально, поскольку большинство современных реакторов используют для охлаждения воду, тяжёлую воду или натрий.

Поскольку программа TCR довольно молода (первая публикация датируется 2019 годом) тяжело оценить её прогресс или понять, что можно от неё ожидать. Для этого можно оценить, что уже получилось в процессе интеграции аддитивных технологий в ядерную индустрию.

Интеграция аддитивных технологий в ядерную индустрию

Пока что на 3D-принтере для ядерных реакторов печатают относительно простые компоненты. В 2017 году Siemens заменила крыльчатку размером 108 мм в противопожарном насосе на АЭС в городе Кршко в Словении копией, напечатанной на 3D-принтере. Компания-производитель оригинального насоса уже закрылась, поскольку насос ставили где-то в 1980 году.

Westinghouse тоже работает в этом направлении, и недавно установила распечатанную на 3D-принтере муфту на первый модуль АЭС Байрон. Это устройство удерживает топливные стержни, пока они опускаются в реактор. Одним из основных мотивов её установки служит желание понять, как будет влиять среда ядерного реактора на материалы, распечатанные на 3D-принтере, и будет ли разница с компонентами, изготовленными обычным способом.

Подытожим

Ясно, что у 3D-печати есть многообещающее будущее на производстве. В случае ядерной промышленности она не только предлагает хороший способ производить запчасти на замену для реакторов возрастом более 60 лет, более половины поставщиков которых уже закрылись или поменяли производство. Наряду с большим количеством других новых производственных технологий она также предлагает замечательные новые возможности для производства ядерных реакторов следующих поколений, будь то реакторы на синтезе или распаде.

Очевидных преимуществ у неё много ускорять прототипирование новых реакторов и концепций, обеспечивать функционирование реакторов в удалённых поселениях и будущих колониях на Луне и Марсе без необходимости полагаться на сложную цепочку поставок. Не на последнем месте стоит и вопрос стоимости производство реактора таким методом должно обойтись значительно дешевле, и, возможно, позволит производить и собирать реакторы прямо на местах.

Всё это, очевидно, не очень интересно людям, не имеющим доступа к SLM-принтерам но, кто знает, возможно, лет через десять мы все будем печатать у себя дома собственные ракетные двигатели и компоненты термоядерных реакторов.

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.

В основе всех красивых вещей лежит идея. А давайте ездить без лошадей?, А давайте летать как птицы?, А давайте сделаем сверхтяжелую полностью повторно используемую ракету на метане и полетим на марс? В основе описанной дальше истории тоже лежит простая и красивая идея: А давайте печатать крупногабаритные металлические изделия из порошка?. Действительно, почему бы и нет? Если существует технология послойного лазерного сплавления (SLM) для изделий до полуметра диаметром, то почему не получится напечатать изделие побольше?

На КДПВ показан процесс прямого лазерного выращивания изделий диаметром 2 метра из титана. Для того чтобы сделать эту фотография потребовалось пять лет упорной работы, пять лет проб, ошибок, разочарований, выкидывания всех наработок и начинания всего с начала. Но прежде чем начать, давайте вернемся к самому началу к Идее и постараемся понять, в чем она заключается.
С момента появления первых технологий 3Д печати из полимеров люди мечтали о возможности использования металлов. Реализация не заставила себя долго ждать с развитием мощных лазеров появилась возможность выборочно спекать металлические порошки, зародилась технология Selective Laser Sintering (SLS). Мощность и качество излучения лазеров росли, их стоимость падала и в середине 90х годов появилась техническая возможность сплавлять металлические порошки в сплошное изделие, появилась технология Selective Laser Melting (SLM). Суть метода проста насыпаем тонкий слой металлического порошка, пробегаем по нему сфокусированным лазерным излучением, которое расплавляет порошинки, оставляет сплавленные треки, опускаем платформу построения и повторяем процесс. Так, слой за слоем создается изделие требуемой геометрии.


На текущий момент это самая освоенная, изученная и широко применяемая технология 3Д печати из металла. Сотни компаний производителей оборудования, тысячи кейсов внедрения, большое научное сообщество, сертификация, материаловедение и так далее. Но как говорится, есть проблема (да и не одна) а можно ли делать большие изделия? Основная проблема масштабирования для этой технологии требуется поле построения, полностью заполненное порошком. Именно размер поля ограничивает размер изделия. На текущий момент большие установки SLM имеют размер поля до 400х400х400 мм (EOS M400) или 500x280x365мм (SLM500), да есть больше, но это тема для отдельной статьи. А если хочется больше? А если хочется производительность не 100 г/ч, а хотя бы 1 кг/ч, чтобы изделие в пару сотен килограмм не печатать полгода? Тогда надо менять подход.


Возьмем лазерную технологическую головку устройство для фокусировки лазерного излучения, такие используются, например, для лазерной сварки, добавим к ней сопло подачи порошка, которое будет подавать порошок от специального питателя и повесим все на какой-нибудь манипулятор. Лазерное излучение фокусируется головкой в пятно размером в пару миллиметров, оно поглощается металлом подложки и энергия тратится на создания ванночки расплавленного металла как сварочная ванна при обычной сварке. Теперь подадим в эту ванну металлический порошок, он будет захвачен расплавом после остывания сформирует наплавленный валик. Процесс похож на обычную сварку с присадкой дуговую, газовую, лазерную, какую угодно.
А теперь будем накладывать валики друг на друга по определенной траектории и из этих валиков сформируем изделие. Все просто!


У технологии только с названием не сложилось. Почему-то все разработчики решили давать свое уникальное имя: первыми были Optomec с их Laser Engeneered Net Shaping, потом Irepa Laser с их Construction Laser Additive Directe, затем пришли названия Laser Metal Deposition, Direct Metal Deposition, Direct Metal Tooling, Blown-Powder Direct Energy Deposition и многие другие. На русском с терминологией еще веселее (например кальки типа прямого лазерного осаждения), поэтому наше название Прямое Лазерное Выращивание.

Пять лет назад наше путешествие с просмотра видео компании BeAM Machines на ютубе, сейчас мы создаем оборудование и разрабатываем технологии изготовления красивых, больших заготовок и выглядит все примерно вот так:


А изделия выглядят например вот так:


В чем же состоит самое интересное?

Можно за часы изготавливать большие заготовки от согласования 3Д модели до готовой детали проходят дни. Свойства материала на уровне стандартов на прокат. Размер изделия ограничен только смелостью заказчика (и его жадностью). Можно делать довольно сложные изделия, хотя сложность геометрических форм и не сравнивается с возможностью SLM, но они в разных лигах находятся. Можно изготавливать биметаллические и градиентные изделия за счет комбинации разных порошков. Можно кастомизировать установку, адаптируя ее под требования изделия.

А так самая обычная аддитивная технология, для разработки которой потребовалось:

• Шесть раз проектировать с нуля технологический инструмент
• Семь раз выкидывать и создавать с нуля систему автоматического управления
• Научиться программировать ПЛК B&R и осознать всю предыдущую боль
• Подружиться с техподдержкой Фанука. Привет, Владимир Майский!
• Переизобрести герметичные кабины
• Заняться техническим шпионажем
• Долго страдать при создании управляющих программ, искать решение, найти его и словить эйфорию. Привет, Александр Рагулин!
• Десятки раз осознавать, что чем больше ты занимаешься технологией, тем меньше ты ее понимаешь
• Наконец осознать собственную ограниченность, смириться с этим и поверить в процессы
• Собрать лучшую команду и научиться творить чудеса

Если было интересно пишите в комментариях, чему посвятить следующую статью? Технология? Физика процесса? Железо? Система управления? Создание управляющих программ? Или обзор того, что делается в мире по этой технологии и почему все машины разные и какая из них лучше?