Аддитивная вселенная

Что умеют и где используются технологии 3D-печати

Напечатать жилой дом или деталь размером в несколько микрон, протез, учитывающий индивидуальные особенности пациента, или костюм Железного человека ― рассказываем, чему аддитивные технологии научились за 40 лет и что у них впереди.

1. Сложение против вычитания

При традиционном изготовлении различных изделий, деталей (и даже некоторых произведений искусства) обработка осуществляется путем удаления частей заготовки: от куска исходного материала «вычитается» все ненужное, чтобы получить требуемую форму. Скульптор отсекает от глыбы мрамора все лишнее (эти слова приписываются Родену, который, возможно, повторил их за Микеланджело), примерно так же работают токари, фрезеровщики, штамповщики, при этом лишний материал идет в отходы. Использование же аддитивных технологий подразумевает создание трехмерных объектов путем послойного добавления материала с помощью специальных принтеров, то есть поэтапное выращивание готового изделия. Общее название группы технологий произошло от английского слова add — «добавлять» (или от латинского additio — «добавление»).

Многие считают, что 3D-печать — это противоположность всем стандартным методам производства и обработки. Но, строго говоря, многие традиционные способы, такие как клепка, сварка, склеивание, привинчивание, тоже являются «аддитивными», так как при их применении происходит добавление отдельных частей для создания целого изделия. Поэтому для разграничения понятий стал применяться термин «субтрактивные методы производства», подразумевающий фрезеровку, сверление, шлифование, опиловку и т.п. Использование аддитивных технологий противопоставляется именно таким способам.

2. Неоспоримые плюсы

Аддитивные технологии — важная часть перехода к следующему индустриальному укладу. 3D-печать имеет весомые плюсы. Во-первых, это быстрота изготовления: сложную деталь можно произвести за недели вместо месяцев или за дни вместо недель. Таким образом кардинально сокращаются время и затраты, например, при изготовлении прототипов изделий или пресс-форм для литья, а штучное производство приближается по цене к серийному. Во-вторых, можно говорить, что аддитивное производство — практически безотходное, так как сразу изготавливается изделие необходимой формы (при производстве некоторых деталей коэффициент использования материалов увеличивается на порядок). Бракованные изделия можно опять превратить в исходный материал, как в случае печати металлом. Третий плюс — отсутствие швов, стыков и соединений: с помощью аддитивных технологий можно получить изделия очень сложной формы с уникальными характеристиками, в том числе с сочетанием разных материалов в одной детали. Это особенно важно для автомобильной, авиационной и космической отраслей, где уменьшение веса изделия и улучшение технических характеристик имеет определяющее значение.

3. Весомые минусы

Может показаться, что светлое аддитивное будущее уже не за горами, но важно понимать, что не каждый бизнес имеет возможности интегрировать эти технологии в свои процессы, прежде всего в силу ограничений по спектру используемых материалов и размерам рабочих камер принтеров. Кроме того, это не всегда экономически целесообразно: основное препятствие для более широкого внедрения — высокая стоимость 3D-принтеров: в прошлом году цена оборудования для промышленного аддитивного производства составляла от $300 тыс. до $1,5 млн (по данным Data Bridge Market Research). Стоимость промышленных расходных материалов также высока. Поэтому аддитивные технологии в ближайшее время будут востребованы и рентабельны там, где стоимость изготовления условного «килограмма готового изделия» наиболее высока, то есть в самых высокотехнологичных отраслях.

Среди других препятствий — нехватка профессионалов в аддитивной сфере (как разработчиков оборудования, так и производственников, готовых внедрять новые технологии), а также все еще достаточно высокий уровень недоверия специалистов к конечным характеристикам новых изделий и их неизменности в течение всего срока службы, особенно в наиболее ответственных отраслях, таких как тяжелое машиностроение. А некоторые экономисты даже считают, что дальнейшее развитие аддитивных технологий ведет человечество назад — к натуральному хозяйству, когда каждая семья не выходя из дома будет печатать себе одежду, предметы быта и даже еду, что негативно скажется на многих сегментах экономики.

4. Когда родилась 3D-печать

В начале 1980-х исследователи из Японии и Франции независимо друг от друга подали заявки для регистрации патентов на устройства, которые можно считать прообразами современных фотополимерных 3D-принтеров, однако никому из них не удалось доказать перспективность своих проектов и добиться их финансирования.

В патентной гонке победил американец Чарльз (Чак) Халл. Он работал в компании, которая занималась технологиями, связанными с ультрафиолетовым излучением, в частности с разработкой светочувствительных полимеров. Проводя испытания очередного полимера, Халл решил попробовать последовательно формировать слои, отверждая их ультрафиолетом, чтобы создавать трехмерные изделия произвольной формы. Через несколько месяцев напряженной работы (а трудиться над своим проектом ему приходилось в свободное от основных обязанностей время) изобретатель сконструировал систему, в которой УФ-лампа освещала емкость с фотополимером. Код, передающий команды принтеру, Халл тоже написал сам. В 1983 году машина выдала первое изделие: за 45 минут аппарат создал небольшую, умещающуюся на ладони, чашу. Новая технология получила название стереолитография. В дальнейшем Халл выяснил, что для 3D-печати можно использовать любые постепенно затвердевающие материалы.

Патент Халл получил в 1984 году, а первый серийный 3D-принтер был выпущен в 1987-м. Несмотря на то что General Motors и Mercedes-Benz вскоре стали использовать стереолитографию для изготовления и испытания прототипов отдельных деталей, изобретение 3D-печати в то время не произвело революцию в промышленности. Бурное развитие аддитивного производства началось только в XXI веке, и с тех пор оно завоевывает все новые и новые сферы.

5. Большие и маленькие

Аддитивные технологии имеют большие перспективы в строительстве, особенно малоэтажном. Среди преимуществ — многократное сокращение сроков возведения объектов, что особенно важно для быстрого предоставления жилья населению в зонах стихийных бедствий, экологичность (безотходное производство, нет шума и пыли), возможность строить объекты любой формы, сокращение травматизма на стройплощадках. Правда, пока есть и минусы, например необходимость хорошей погоды для работы строительных 3D-принтеров и меньшая прочность конструкций в связи с не до конца отработанными технологиями армирования. Один из примеров реализованных проектов — офис площадью 250 м² в Дубае, построенный с помощью портального 3D-принтера за 17 дней, его интерьер также был изготовлен с помощью аддитивных технологий. Среди возможных применений технологии в будущем — строительство значительных по высоте объектов (башен для ветроустановок, опор мостов и т. п.), особенно в труднодоступных местах, где использование обычной строительной техники затруднено. На практике это должно выглядеть так: несколько роботов постепенно взбираются по строящемуся объекту и перемещают платформу с печатающей головкой, которая выращивает слой за слоем.

Возможности 3D-печати уникальны и тем, что наряду с очень большими объектами дают возможность создания и весьма миниатюрных. Принтеры для электронной промышленности работают с микронным разрешением. Одно из основных преимуществ аддитивных технологий для радиоэлектроники — отсутствие зависимости цены изделия от размера партии: пресс-формы для каждого нового изделия не нужны, достаточно внести корректировки в CAD-файлы.

6. Спасая жизни

Медицина — одна из самых динамично развивающихся областей применения аддитивных технологий. Студенты изучают анатомию, а хирурги готовятся к сложным операциям с помощью реалистичных моделей, напечатанных на 3D-принтере. Аддитивными методами производятся несерийные медицинские инструменты и вспомогательное оборудование.

Каждый человеческий организм уникален, поэтому аддитивное производство из биосовместимых материалов имеет огромный потенциал для использования в персонализированных медицинских практиках. Речь не только об искусственных суставах или стоматологических имплантах, но и о напечатанных на 3D-принтере уникальных по форме протезах конечностей, выполненных с учетом индивидуальных анатомических особенностей пациента.

Но еще более впечатляющими являются эксперименты с биопечатью, которая позволяет создавать с использованием живых клеток различные тканевые структуры, такие как ткань почек, кожи, кровеносных сосудов и др. Также тестируются напечатанные на 3D-принтере сложные микроустройства, которые могут работать внутри человеческого тела для доставки лекарств или контроля за состоянием здоровья пациента.

7. До космических высот

Объекты, напечатанные на 3D-принтере, могут иметь меньший вес и при этом быть более прочными, чем произведенные традиционными методами, поэтому аэрокосмические компании с 2000-х годов широко используют аддитивные технологии при создании спутников и ракет-носителей, в том числе печатая детали двигателей (форсунки, камеры сгорания, насосы и т. д.). Так, компания SpaceX сделала ставку на печать металлом, считается, что это внесло большой вклад в экономичность и надежность ракеты-носителя Falcon 9. Также SpaceX производит шлемы для астронавтов по технологии 3D-печати пластиком.

Если смотреть в будущее, 3D-производство — отличный способ сократить стоимость космических миссий и увеличить их продолжительность. Ведь все, что может понадобиться космонавтам на орбите или на других планетах, можно создать прямо на месте, не доставляя грузы с Земли. Например, NASA собирается печатать многие элементы будущей лунной базы, используя лунный грунт. Небольшой производственный цех прямо на борту космического корабля позволит создать все необходимое для дальних путешествий. Теоретически печатать можно будет почти все — запчасти, инструменты, скафандры, продукты питания, стройматериалы и многое другое. И это не просто мечты о будущем: в космосе уже есть 3D-принтер. Он размещен на МКС, где печатает различные инструменты и функциональные элементы для станции. Это уже второй принтер на МКС, а первый был доставлен туда в 2014 году, чтобы экспериментально доказать возможность аддитивного производства в условиях невесомости и микрогравитации.

8. Вперед, к 4D

Самой перспективной аддитивной технологией многие эксперты считают 4D: к трем пространственным координатам здесь добавляется время. То есть четвертое измерение в 4D-печати — это не размер, а параметр, который связан с положением объекта или его взаимодействием с другими предметами или окружающей средой. Это означает, что трехмерные объекты смогут меняться под влиянием различных факторов: температуры, влажности, солнечного света, механических действий. Здесь определяющую роль будут играть особые материалы, которые могут быть запрограммированы на изменение характеристик в зависимости от определенных обстоятельств.

Термин появился всего несколько лет назад, но технология уже воплощается в реальность. Где такие изделия будут применяться в первую очередь? В том же космосе. С помощью 4D-печати инженеры NASA уже создали защитную металлическую «ткань» в виде своеобразной кольчуги, которая может гнуться, растягиваться и сжиматься, но ее крайне сложно разорвать. Такое покрытие можно использовать для защиты спутников, скафандров и обитаемых модулей от столкновений с космическим мусором. Возможно и более земное применение технологии, например в автопроме: BMW представил концепт автомобиля с треугольными секциями кузова, напечатанными на 4D-принтере. На поворотах эти секции будут растягиваться, чтобы шины не терлись об арки.

Фото: редакция газеты «Страна Росатом» / Алексей Башкиров, Европейское патентное ведомство (epo.org), ICON Technology