Распечатанный мир

С.Мучник (Дортмунд)

Сколько научно-технических революций свершилось на моем веку! Телевидение, транзисторы и миниатюризация, реактивные пассажирские самолеты, космонавтика, компьютеры, мобильная телефония, цифровая фотография, подводный спорт, композиционные материалы... Наверное, и еще немало чего. И это не потому, что я такой старый. Мои совсем еще юные дети вступали в жизнь, не зная еще ничего ни о компьютерах, ни о хэнди. Прогресс ускоряется, за всем не уследишь, вот и трехмерную печать я как-то поначалу пропустил. Собственным печатным станком-принтером никого сегодня не удивишь, а третье измерение (3D) уже прочно обосновалось и в телевидении, и в фотографии, и в компьютерных играх, но... это – из области виртуального, то есть увидеть можно, а потрогать – нельзя.

Форму реальным предметам придают разными методами: ковкой, сваркой, литьем, пайкой, штамповкой и т.д. Но если посмотреть на производство несколько обобщенно, то оказывается, что в его основе есть только два приема: или материал убирают, или его добавляют: папа Карло создал Буратино, убрав с полена всё лишнее. Всё станочное производство – это снятие лишнего материала. И любая вещь получается добавлением разных частей, однородных (кирпичи – стенка) или различных (лук, свекла, огурец… – винегрет).

Трехмерная печать (3D-print) возникла совсем недавно, несколько лет назад о ней знали только узкие специалисты, а сегодня она вторгается почти во все традиционные технологии, и оборудование для этой печати доступно сейчас каждому желающему.

Печать эта – условная, на самом деле это – новая технология, дополняющая – заменяющая – вытесняющая множество прежних технологий, но это не одна конкретная технология, это, скорее, общее направление. Напрашивается аналогия с нанотехнологиями: у всех на слуху, а что это такое толком никто не знает.

В основе технологии – трехмерный чертеж, полученный, как правило, путем компьютерного моделирования. Есть такие программы, наиболее известная – AutoCAD, а из сравнительно простых – бесплатная SketchUp от Google, позволяющие любую вещь, скажем, от гайки до двигателя с тысячью деталей, поворачивать на экране, проектировать, рассматривать в любом ракурсе и рассекать как угодно. Мы сталкиваемся иногда с этим в быту, например, при заказе кухни в приличном магазине или при протезировании зубов: сначала челюсть сканируют лазером, а потом создают 3D-модель протеза. Кульманы ушли в прошлое, конструктора выдают трехмерные чертежи, которые должны материализовываться. Вот именно, должны... вечный конфликт конструктора и технолога. Как именно сделать, на каком оборудовании и на какой оснастке, какими инструментами? Элегантное компьютерное решение должно ведь быть воплощено в металле или пластике, а это оказывается иногда камнем преткновения.

Современные машиностроительные технологии гонятся за компьютерными. И в этой гонке возникла технология, такая же гибкая и универсальная, как и компьютерная. Если на компьютере можно спроектировать что угодно, то на 3D-принтере можно это что угодно изготовить, сохраняя терминологию, – распечатать. Хотя, конечно, чуда тут нет: на самом деле 3D-печать это – экструзия, наплавка, напыление и еще, бог знает, какая методика послойного нанесения материала.

Капая микрокапельками чернил на бумагу, мы создаем на ней двухмерное изображение (фото или текст), это – процесс печати на обычном принтере. Но если капать быстро застывающими капельками в одно и то же место, то образуется трехмерный объект; так, например, образуется зимой наледь в месте падения капель воды и так же, но только несоизмеримо медленнее, растут сталагмиты в пещерах.

Так что 3D-печать – это управляемое компьютером нанесение быстро застывающего вещества для получения определенной формы.

В индустрии для 3D-печати применяют металлические и керамические порошковые материалы, наносимые по технологиям лазерного плавления или спекания. Применяемые 3D-принтеры стоят сотни тысяч евро, если не миллионы. А вот небольшие фирмы и просто любители осваивают значительно более дешевую технику: настольные приборы стоимостью в пределах нескольких тысяч и пластмасса как печатный материал. Пластик на основе акрила или стирола плавится и подается к месту печати, где послойно наносится и быстро застывает (Fused Deposite Modelling), формируя изделия любой сложной формы.

Вот основные характеристики компактного 3D-принтера Replicator 2 американской фирмы Makerbot, продаваемого и в Германии: размеры – 490 x 320 x 380 мм, цена – 2345 евро, цена материала (пластика PLA) – 35 евро/ кг, средняя мощность – 57 Вт.

Есть и более дешевые модели, например, Ultimaker за 2080 евро или FreeSculpt, продаваемый известной интернет-фирмой Pearl всего за 800 евро.

А крупнейший интернет-магазин Amazon ввел даже рубрику «3D Printer».

Если сказанное звучит несколько сухо и абстрактно, то стоит обратиться к примерам реализации этого метода.

Вот неполный список тех областей, где 3D-печать уже применяется или будет внедрена в ближайшие годы:

Кто сталкивался с реальным производством, знает: важнейший этап разработки – создание прототипа, модели. От авторучки и туфель, до корабля и небоскреба: сначала делается копия, модель. Прототип делается в уменьшенном и упрощенном варианте из других материалов. И далее испытывается. Например, модель самолета продувается в аэродинамической трубе. Это – первый шаг по превращению чертежа в нечто материальное, весьма ответственный и трудоемкий. Прототипы изготавливаются практически вручную опытнейшими рабочими. Вот это именно тот случай, когда применение 3D-печати позволяет одновременно ускорить и удешевить разработку.

Но то же относится и к мелкосерийному производству: для десятка сложных изделий конвейер не создают, а делают их, опять же, вручную на дорогом оборудовании.

3D-модели необходимы дизайнерам, конструкторам, архитекторам, даже торговцам недвижимостью – их можно изготавливать быстро, дешево, в любом масштабе, в цвете...

ВМС США, например, открывают в Норфолке экспериментальный центр 3D-печати: для флота непрерывно нужны модели кораблей, а также и разнообразные детали небольшими партиями, например, запчасти, которые уже сняты с производства. А в будущем 3D-принтеры могут появиться и на крупных кораблях.

Перспективы в области медицины вообще необозримы: появилась возможность 3D-протезирования, а это абсолютно индивидуальное дело, ибо нет двух одинаковых зубов, челюстей или берцовых костей. Для хромой утки распечатали, например, силиконовый протез. Более того, уже созданы в лаборатории фирмы Organovo образцы человеческих тканей, в том числе... печени. Метод, названный «биопринтинг», позволил, используя три типа клеток (гепатоциты, звездчатые клетки и эпителий), выращивать печеночную ткань. А другая фирма внедряет вместо гипсовых повязок специальные пластиковые шины, идеально облегающие поврежденное место. Не говоря уже о том, что 3D-печать позволяет создавать сложнейший хирургический инструмент. Расходуемые материалы, как видно, могут быть самыми разнообразными, от живых клеток до полимеров и сплавов.

В гастрономии, ясное дело, 3D-принтер найдет применение в производстве кондитерских изделий: разных шоколадных изделий, да еще с надписями, всяких пряников печатных. А вот печать полноценных пищевых продуктов сложного состава из заранее измельченных и замороженных или высушенных компонентов: жиров, белков, сахаров, протеина, вкусовых и цветовых составляющих – это уже ближе к гастрономической революции. И произойдет она, вероятнее всего, на космической орбите. Уже в следующем году ожидается прибытие на космическую станцию ISS 3D-принтера с узкой специализацией – пицца. Ее компоненты, примерно как чернила в струйном принтере, будут содержаться в специальных патронах – картриджах, имеющих 30-летний срок хранения. Для космоса такая технология выгодна ввиду компактности оборудования и запасов и безотходности (Отметим, что почти полное отсутствие отходов при 3D-печати в значительной мере компенсирует другие затраты.)

Но технология кулинарной печати имеет, как считают разработчики, гигантские перспективы и на Земле. Можно будет печатать блюда любой калорийности, веса, формы, вкуса, с учетом медицинских показателей (диабет, аллергия...). Блюда будут всегда свежими, технология, при ее массовом внедрении, – весьма экономичной.

Уже в следующем году ожидается прибытие на космическую станцию ISS по меньшей мере одного 3D-принтера для изготовления запчастей. Считается, что на них можно будет производить до 30% необходимых деталей. А на земле НАСА испытало 3D-печать для изготовления ответственных деталей ракетного двигателя. Есть даже кажущиеся сегодня невероятными проекты добычи в космосе из астероидов металлов и превращения их в изделия методом 3D-печати – что экономичнее всего. И базы на космических телах, на Луне, в первую очередь, хотят создать с помощью 3D-принтера из местной породы – реголита. Причем это-то как раз вполне реально: в Голландии, например, уже построили дом методом 3D-печати.

То есть технологии 3D-печати подвластны любые размеры изделий, от крошечных до гигантских. Конечные размеры изделия могут быть значительно больше размеров самого 3D-принтера, только подавай материал. Иллюстрацией миниатюризации отпечатанных изделий может служить созданная в США литий-ионная батарейка миллиметрового размера. Такие источники питания размером с маковое зернышко могут обеспечить энергией сверхминиатюрные приборы, например, медицинские, глотаемые или вживляемые.

Не секрет, что самые интересные изобретения, в конечном счете, направлены на убийство людей (или на убийство убийц, какая разница?). Двое израильских журналистов в порядке эксперимента пронесли в кнессет отпечатанный пистолет, и их не засекли. И это – охрана израильского парламента! Так что неудивительно, что в сенате США обсуждается законопроект о запрете распространения технологии 3D-печати огнестрельного оружия. А как его запретишь, когда просто есть файл, который можно скачать в Интернете и через компьютер распечатать детали из пластика у себя дома, а затем их собрать. Наделавший в Америке переполох пластиковый пистолет Liberator имеет лишь одну металлическую деталь – боек из гвоздя. Пока он еще довольно несовершенен, но и 3D-оружейники явно на этом не остановятся.

Неудачно подобранная обувь является источником настоящего страдания, особенно у женщин и спортсменов. А еще: ноги бывают неодинаковыми. Теперь, возможно, проблема будет решена с помощью 3D-печати обуви, следуемой за индивидуальным сканированием стопы. Получили один раз файл для левой ноги и для правой, и можно безбоязненно заказывать у разных производителей подходящую по фасону обувь. Мерить не нужно: она и так будет сидеть идеально, даже любимый мозоль обойдет.

А ведущие спортивные фирмы Nike и Adidas внедрили 3D-печать для моделирования новой обуви, что позволило в разы сократить время создания прототипов.

То же относится и к одежде, хотя, казалось бы, объемный пластик не слишком пригоден для ношения. Но оказалось, что именно благодаря 3D-печати можно создать идеальное, как раз по фигуре, бикини или невероятные футуристические наряды.

В Японии невесты заказывают на память куклы с самих себя, сделанные методом 3D-печати. И в Англии можно просканировать себя и украсить письменный стол своей моделью размером с телефон.

Очень много всяких предложений для любителей. В Интернете доступны чертежи разных изделий для дома, для семьи: ручки, крышки, статуэтки, подставки, футляры, игрушки, всевозможные сувениры – они выкладываются в специальных форматах .stl, .ply или .obj. Что характерно, любой может сам разрабатывать 3D-чертежи, которые затем воплощать в материале. Для многих это уже есть или в недалеком будущем станет творческим процессом сродни лепке, резьбе по дереву или моделированию.

Американцы подсчитали, что уже сейчас рациональное применение 3D-принтера в домашнем хозяйстве позволяет экономить порядка 1000 долларов в год. Всех примеров не перечислить.