Настольная фабрика

Технологии моделирования объектов, в просторечии называемые «3D-печатью», развиваются семимильными шагами по всем параметрам: точность, универсальность и доступность. Весьма вероятно, что уже в ближайшие несколько лет этот тренд будет иметь самые серьезные последствия для ряда отраслей. Например, вместо того чтобы покупать определенные товары в магазине, потребитель сможет изготовить их фдома, скачав цифровой образ из интернета. Впрочем, почему «сможет»? Это уже происходит. Со временем новая модель неизбежно повлияет и на бизнес-процессы.

Технологии

3D-печать — собирательное название для целого ряда технологий (не самое точное, но образное и понятное), позволяющих создавать на основе цифровой модели физические объекты из самых разных материалов.

Специалисты предпочитают называть этот процесс «быстрым прототипированием» и различают около десятка так называемых «аддитивных» (от английского add — «прибавлять») технологий. В каких-то из них главную роль играет лазер, где-то используется ультрафиолетовое излучение, а еще есть технологии, схожие со струйной печатью. Что касается исходных материалов, то к классическим фотополимерам, легкосплавным пластикам, специальным высокотехнологичным смесям сегодня добавились металлические и керамические порошки, сверхновые компаунды. А как вам такие «расходники», как бетон и цемент? Или сахар, шоколад и сыр? Но давайте по порядку…

В аддитивных технологиях вещество слой за слоем наносится с помощью специальной головки на плоскую основу — процесс можно сравнить с выдавливанием зубной пасты из тюбика. Наиболее доступный вариант — термопластическая экструзия (производство с помощью плавкой нити). К аддитивному производству также относится высокоточная стереолитография: жидкий фотополимер слой за слоем затвердевает под воздействием лазера или ультрафиолета. Сюда же причисляют весьма распространенную SLS-технологию, где мощный лазер спекает мельчайшие частицы порошков — пластмассы, металла, керамики или стекла. Многие из аддитивных технологий не новы, они были изобретены в конце 1970-х и в начале 1980-х. К концу ХХ века в лабораториях и на крупных промышленных предприятиях уже работали тысячи устройств для быстрого прототипирования. Правда, на тот момент цена одного такого устройства составляла от $100 тыс. до $1 млн.

Как инь дополняет ян, так и аддитивные технологии соседствуют с технологиями субтрактивными («вычитающими»). По сути, традиционное машиностроение основано именно на них — вспомните станки, которые сверлят, вырезают, вытачивают и выпиливают. «Персональные» устройства быстрого прототипирования на основе субтрактивных технологий стали массовыми еще в середине 1980-х. Сегодня мини-станки с числовым программным управлением довольно широко распространены — некоторые модели можно приобрести за $1500-2000.

3D-принтер совершенно бесполезен без специального программного обеспечения. Многие современные системы автоматизированного проектирования (САПР, в английском варианте — CAD) поддерживают управление 3D-печатью либо напрямую, либо посредством специальных утилит, преобразующих трехмерные виртуальные модели в специальный формат STL.

Некоторые разработчики 3D-принтеров (особенно это касается моделей для персонального использования) создают собственный софт, упрощающий взаимодействие пользователя и печатающих устройств, — во многом благодаря этой тенденции 3D-печать становится массовой. Теперь не обязательно быть инженером или «гиком» — достаточно нажать на кнопку, чтоб получить вполне приемлемый результат.

Что можно напечатать?

Перспективы 3D-печати поистине безграничны. К примеру, можно напечатать… целый дом! Берок Хошневис, профессор Универси-тета Южной Калифорнии и энтузиаст 3D-печати, заявляет, что уже сегодня имеет в своем распоряжении технологию, позволяющую всего за 20 часов напечатать полноценный коттедж — будущим жильцам останется лишь вставить окна, двери и завезти мебель.

Высокотехнологичные строительные роботы, использующиеся в его проекте Contour Crafting, способны не только послойно возвести стены жилища, но и быстро разместить электропроводку, а также элементы системы отопления, водоснабжения и канализации. Профессор Хошневис утверждает, что даже черепицу на крыше можно укладывать в полностью автоматическом режиме.

А как вам возможность изготовления с помощью 3D-принтеров самого настоящего огнестрельного оружия? Пару месяцев назад в западных СМИ появилась информация о неоднозначном проекте Defense Distributed, запущенном студентами юридического факультета Техасского университета. Цель проекта, по определению одного из его идеологов, — предоставить каждому желающему возможность изготовить оружие у себя дома. Проект, по сути, некоммерческий — авторы задались целью выложить готовую 3D-модель пистолета в интернет для свободного доступа, пользуясь тем, что законодательство США разрешает гражданам изготавливать огнестрельное оружие для самозащиты. Правда, у Defense Distributed уже возникли сложности с поставщиком оборудования, который уверен, что арендованный командой проекта 3D-принтер используется в нелегитимных целях.

Еще одна перспективная область применения 3D-печати — моделирование тканей живых организмов, и в частности внутренних органов. Впрочем, в этой сфере прорыв еще не произошел — есть лишь лабораторные исследования, в которых живые клетки слой за слоем наносятся на основу из питательного геля. В результате получаются объемные структуры, по свойствам напоминающие живую ткань, но таковыми не являющиеся. Зато стоматологам и хирургам есть чем похвастать: первые уже вовсю печатают керамические коронки (3D-принтер от немецкой компании EOS изготавливает в 30 раз больше коронок за день, чем опытный мастер), а вторые пользуются аддитивными технологиями для изготовления протезов суставов.

Сфера применения 3D-печати постоянно расширяется. Авиаинженеры, к примеру, говорят о готовности печатать детали аэробусов, вместо того чтобы заказывать их у подрядчиков. Аддитивное производство обещает быть гораздо экономичнее традиционных способов изготовления сложных элементов самолетов. Дизайнеры уже печатают бижутерию, обувь и даже одежду, а архитекторы — элементы декора зданий и макеты будущих сооружений. Химики, сделавшие ставку на 3D-печать, экспериментируют с новыми веществами, изготовление которых ранее по ряду причин было невозможно; биологи планируют печатать… ДНК; археологи воссоздают древние артефакты…

Новые прорывы ожидаются в палеонтологии, криминалистике, робототехнике и даже в кулинарии — ведь 3D-принтеры уже сегодня могут работать с самыми неожиданными материалами, в том числе и съедобными.

На вашем столе

При желании вы можете прикоснуться к технологиям 3D-печати уже сегодня — благодаря open source проектам типа RepRap это совсем не так затратно, как кажется. Первоначальной целью RepRap было быстрое распространение принтеров путем их «клонирования»: эти устройства обладают способностью к самовоспроизведению. Все началось в 2005 году, когда доктор Адриан Боуэр, преподававший машиностроение в Университете Бата (Великобритания), решил разработать массовый 3D-принтер. Год спустя, после получения дополнительного финансирования, он создал прототип RepRap 0.2 в единственном экземпляре, на котором была напечатана первая деталь для второго принтера. В феврале 2008 года Боуэр с командой единомышленников создал новую модель, которая через несколько месяцев была воспроизведена около сотни раз — 3D-принтер Darwin был воссоздан по инструкциям, подготовленным разработчиками, в разных уголках мира. Сегодня проект RepRap является наиболее известным по многим причинам: во-первых, он был первым в своем роде; во-вторых, набор для сборки 3D-принтера довольно дешев ($300-500); в-третьих, это открытый проект — вы платите только за набор исходных элементов и можете изменять и модифицировать конструкцию, как пожелаете. Благодаря этим достоинствам устройства RepRap сегодня можно встретить где угодно. Продаются они и в России — в собранном виде готовый к использованию 3D-принтер стоит 40-50 тыс. рублей. Среди минусов отметим качество распечатанных объектов, которое оставляет желать лучшего, — это все же устройства начального уровня.

Именно недостатки устройств типа RepRap заставляют начинающих предпринимателей то и дело запускать новые проекты, нацеленные на создание «3D-принтера вашей мечты». Чтобы в этом убедиться, достаточно заглянуть на краудфандинговые сайты типа Kickstarter или Indiegogo: вы увидите десятки проектов на начальной стадии. Один из лидеров на момент написания этой статьи — стереолитографический принтер Form 1 от компании FormLab. Ее основатели, трое выпускников MIT, сумели привлечь уже более $1,5 млн. — в десять с лишним раз больше, чем было необходимо для запуска проекта. Компания обещает едва ли не самый лучший по соотношению цена/качество 3D-принтер — за $2500 счастливчики получат устройство, способное печатать с толщиной слоя в 25 микрон (показатель, близкий к профессиональным принтерам). Естественно, никто не дает гарантий, что задуманное удастся воплотить в жизнь. Многие краудфандинговые проекты остаются нереализованными из-за недофинансирования, но и те, которые получают денег с избытком, не всегда выполняют свои обязательства — из-за инженерных проблем или плохого управления. Так произошло, например, с проектом PrintrBot, основатель которого намеревался едва ли не собственноручно собрать полсотни 3D-принтеров, но явно не рассчитывал на сотни заказов.

Если вы подумываете приобрести 3D-принтер для своих целей, в первую очередь выясните, какие расходные материалы для него понадобятся. Если необходим «специальный состав», который можно приобрести только у одного поставщика за рубежом, то общая стоимость владения принтером может оказаться слишком высокой. Лучше отдать предпочтение «всеядным» устройствам, для которых подойдут распространенные «расходники»: термопластик ABS (по качествам похожий на тот, из которого изготавливают детали конструкторов Lego), биоразлагаемый полимер PLA и особые сорта полиэтилена и поликарбоната. Некоторые российские компании, специализирующиеся на поставках материалов для изготовления рекламной продукции, уже занялись и продажей расходных материалов для трехмерной печати.

Изучить возможности 3D-принтера можно, печатая готовые объекты — их в большом количестве можно скачать (в формате STL) на таких сайтах, как thingiverse.com и cubify.com. Для собственных 3D-проектов придется осваивать специализированный софт. К примеру, компания Autodesk предлагает целую линейку бесплатных программ — таких как 123D. Есть и онлайн-сервисы вроде 3Dtin.com — их освоение потребует минимальных усилий. Наконец, имеется целый ряд утилит, которые помогут перевести уже имеющийся у вас цифровой объект в STL-формат. Одной из наиболее известных программ подобного рода является распространяемый бесплатно Slic3r. В общем, активное сообщество энтузиастов 3D-печати не даст вам почувствовать себя одиноким.

В бизнесе

Восторг фанатов 3D-печати вполне понятен: еще несколько лет назад эти технологии были недоступны массам. Но есть ли у сегодняшних доступных принтеров применение за пределами хобби? Надо признать, что пока явных способов извлечения прибыли из новой категории устройств придумано не так уж и много — изготовление сувениров, мелких деталей, арт-объектов, рекламной продукции и т.д. Впрочем, с помощью 3D-принтера не обязательно производить товар на продажу — не стоит забывать о преимуществах прототипирования. Скажем, архитектурное бюро или строительная компания, быстро сделав макет будущего жилища, может развеять сомнения клиента. Ведь одно дело — смотреть на распечатки или виртуальную 3D-модель на экране компьютера, а другое — покрутить в руках осязаемую модель квартиры или коттеджа, в которой можно «подвигать мебель». А в бизнесе, связанном с производством, создание прототипов позволяет снижать издержки и риски. Даже если речь идет всего лишь о размещении заказа на изготовление партии чехлов для мобильных телефонов в Китае…

Крис Андерсон, автор книги Makers: The New Industrial Revolution, отмечает, что объекты, напечатанные на «ширпотребном» 3D-принтере, пока не могут конкурировать с фабричными изделиями по качеству, но их прелесть в другом: кастомизация и креативность.

RepRap Mendel

Устройство, которому впору ставить памятник. Второе поколение 3D-принтеров, родившихся в рамках проекта RepRap. Пожалуй, самый распространенный и самый доступный на сегодня аппарат. Имеется масса модификаций.
Цена: от $300 (набор деталей) до $1000 (полностью собранный комплект)
Технология: термопластическая экструзия
Размер 3D-объекта, макс.: 20,3х20,3х14 см
Материалы: PLA, полиэтилен HDPA, ABS (нить диаметром 3 мм)
Скорость печати: низкая
Качество печати: среднее/низкое (слой — 0,3 мм, мин. элемент — 2 мм)

LeapFrog Creatr

Голландская компания LeapFrog, имеющая за плечами 45-летний опыт в изготовлении устройств профессиональной печати, запустила свой дебютный персональный 3D-принтер весной этого года. Имеется возможность установки двух печатающих головок.
Цена: от $1600
Технология: термопластическая экструзия
Размер 3D-объекта, макс.: 30х25х26 см
Материалы: ABS, PLA
Скорость печати: низкая
Качество печати: среднее/низкое (слой — 0,2 мм, точность позиционирования головки — 50 микрон)

MakerBot Replicator 2

Одна из самых перспективных на сегодня моделей. Четвертое поколение устройств от американской компании MakerBot отличается повышенной скоростью печати. Увеличен максимальный размер доступных для печати 3D-объектов.
Цена: от $2200
Технология: термопластическая экструзия
Размер 3D-объекта, макс.: 28,4х15,5х15,2 см
Материалы: PLA
Скорость печати: средняя/низкая

3D Systems Cube

Впервые продемонстрированный на выставке CES 2012 принтер от 3D Systems — на сегодня одно из самых доступных из числа готовых к работе устройств. Запущен в производство в мае этого года одновременно с онлайн-сервисом Cubify.
Цена: от $1300
Технология: термопластическая экструзия
Размер 3D-объекта, макс.: 14x14x14 см
Материалы: ABS
Скорость печати: низкая
Качество печати: среднее/низкое (слой — 0,25 мм)
Качество печати: хорошее/среднее (слой — 0,1 мм, точность позиционирования головки — 2,5-11 микрон)

FormLab Form 1

Пожалуй, самый успешный краудфандинговый проект, связанный с трехмерной печатью. Поставка готовых 3D-принтеров начнется в феврале 2013 года. Модель доступна только для участников, оплативших один из лотов на сайте Kickstarter.
Цена: от $2300
Технология: стереолитография
Размер 3D-объекта, макс.: 12,4х12,4х16,5 см
Материалы: фотополимер собственной разработки
Скорость печати: низкая
Качество печати: отличное (слой — 25 микрон, мин. элемент — 0,3 мм)

PP3DP Up!

Модель для любителей всего китайского. Довольно небольшая и легкая. Полностью готова к использованию. В июле этого года была выпущена модификация Mini со сниженным качеством печати ($900).
Цена: от $1500
Технология: термопластическая экструзия
Размер 3D-объекта, макс.: 14х14х13,5 см
Материалы: ABS, PLA
Скорость печати: очень низкая
Качество печати: среднее/низкое (слой — 0,25 мм)