сайт
NEW
Печать реальности

Попробуйте назвать величайшие технологические прорывы конца XX — начала XXI века. Вам непременно вспомнятся персональный компьютер и Веб, альтернативная энергетика, частная космонавтика, социальные сети, сотовая связь, цифровой звук. Но рискнет ли кто-то из вас вписать в этот список технологию со странным названием «быстрое прототипирование», именуемую в обиходе трехмерной печатью? Бывшая уделом ученых и крупных предприятий еще двадцать лет назад, сегодня она по-прежнему обретается в лабораториях и заводских цехах, но вместе с тем медленно выбирается и на прилавок.

Главная проблема 3D-печати — и основная причина отсутствия ее в «официально утвержденном» списке величайших рывков тысячелетия — не в том, что она чересчур сложна, а в том, что мало кто понимает, на что она практически годна. Вот почему с ней совершенно необходимо познакомиться ближе. Счастливчики, уже распробовавшие ее дома и в офисе, обычно согласны с утверждением: однажды 3D-печать перевернет мир, устроив минимум новую промышленную, а возможно, еще и культурную революцию!

Согласно общепринятой хронологии, идею «материализации» объемных объектов из цифровой модели первым подал и реализовал в середине 1980-х годов американец Чарльз Халл (Charles Hull). Запатентованная им технология очень проста. Представьте себе небольшую ванночку, в которой укреплена горизонтальная металлическая площадка. Ванночка заполнена особой жидкостью так, чтобы площадку скрывал слой, скажем, в миллиметр глубиной. При этом жидкость обладает важным свойством: она способна отвердевать под действием сильного света (к примеру, когда освещена ультрафиолетовым лазером). Теперь дело за малым: осветим лазерным лучом некоторые точки. Там, куда попал луч, на металлической площадке образуются тончайшие, в доли миллиметра, твердые сгустки. Опустим площадку на несколько десятых долей миллиметра, чтобы над ней вновь плескалась жидкость, — и повторим процесс. Шаг за шагом, миллиметр за миллиметром в нашей ванночке будет расти объемная фигура, «нарисованная» лазером под управлением компьютера. Халл назвал эту технологию стереолитографией (обычно сокращают до SLA), заложив таким образом первый камень в основание индустрии трехмерной печати.

Несколько лет спустя другой американец, Скотт Крамп (Scott Crump), предложил свой способ материализации цифровых объектов, получивший название fused deposition modelling (FDM). На русский язык это примерно переводится как «печать расплавленным материалом», что вполне исчерпывающе передает суть технологии. Представьте себе струйный принтер, печатающая головка которого наделена способностью двигаться в трех измерениях, однако вместо краски выдает расплавленные капли быстро затвердевающего вещества (термопластик, металл). Капля за каплей, слой за слоем FDM-принтер конструирует объекты любой мыслимой сложности. У такого способа трехмерной печати есть свои недостатки: точность, как правило, ниже, чем у SLA (но тоже измеряется долями миллиметра). Однако есть и достоинства: шире диапазон возможных материалов, нет нужды в дорогом лазере, процесс менее капризный и т. д.

После этого было предложено еще с полдюжины различных способов «материализации» — от выборочного спекания порошков лазерным лучом (SLS) до применения особых красок и даже пучка электронов. Между делом кто-то выдумал и сам термин «трехмерная печать» (говорят, корни уходят в Массачусетский технологический институт, MIT). Нам, впрочем, важно другое. Вне зависимости от конкретной технологии 3D-печать позволяет сравнительно быстро (от нескольких минут до нескольких часов) и чрезвычайно точно формировать объекты практически любой формы, хоть и ограниченного размера и, как правило, не слишком высокой механической и термической прочности. Ничего удивительного в том, что энтузиасты, заинтересовавшиеся идеей, сделали ставку на технологию FDM — пусть не дающую высокой точности, прочности и разнообразия цвета (в массе своей такие принтеры пока монохромны), зато сравнительно дешевую. Именно детище Крампа дало трехмерной печати шанс проникнуть в дом и офис.

Воплощая мечту

3D-печать не зря поначалу называли технологией прототипирования. Ее главным (и долгое время единственным) применением было быстрое изготовление прототипов, макетов проектируемых деталей и устройств на производстве. Точная реплика цифровой модели может быть очень полезной: ее легко подвергнуть различным испытаниям либо использовать как болванку для изготовления отливочной формы, которую заполняют уже металлом. Так что для промышленности трехмерная печать стала поистине золотой находкой. В настоящий момент ее используют практически во всех «серьезных» отраслях — от автомобиле- и авиастроения до космонавтики, микроэлектроники и даже медицины. При этом роль 3D-принтеров не ограничивается изготовлением прототипов. Мощные, дорогие промышленные системы объемной печати от компаний 3D Systems и Stratasys позволяют печатать уже готовые детали с приемлемыми прочностными характеристиками (этим активно пользуется, к примеру, авиаконцерн Boeing).

Халл, Крамп и выходцы из MIT стали пионерами коммерческого применения 3D-печати. Именно они основали упомянутые здесь столпы «трехмерной» индустрии — 3D Systems, Stratasys и Z Corp (в этом году последняя вошла в состав 3D Systems). Выпускаемое этими компаниями оборудование обычно весьма дорого (при цене в десятки тысяч долларов за аппарат — и это без расходников — чаще оказывается дешевле не покупать его, а брать в лизинг), но именно оно в конце концов подтолкнуло множество энтузиастов к самостоятельным исследованиям и привело в последние годы к появлению нового класса 3D-принтеров — компактных, простых и достаточно дешевых, чтобы быть полезными для малого офиса и даже дома.

Наглядной иллюстрацией случившегося за последние годы эволюционного рывка может служить проект RepRap.Org, в рамках которого энтузиасты разрабатывают одноименный 3D-принтер. Помимо дешевизны и простоты, авторы преследуют еще две цели. Во-первых, описание всей конструкции, вплоть до винтиков и программного обеспечения, доступно на условиях свободной лицензии GNU GPL (той самой, под которой развивается Linux). Это дает право всем желающим самостоятельно собирать такой принтер, экспериментировать с ним, модифицировать и даже продавать. Во-вторых, RepRap задуман для того, чтобы научить 3D-принтеры самовоспроизводиться, то есть быть в состоянии напечатать все необходимые для создания своей собственной копии детали, включая и электронику. По состоянию на текущий момент (за семь лет работы) вторая цель еще не достигнута — и, вероятно, будет достигнута не скоро по объективной причине: пока не существует технологий трехмерной печати, которые способны произвести микроэлектронные схемы, функционально сопоставимые с теми, что производятся классическими методами. Однако многие механические элементы своей конструкции RepRap уже печатает.

Созданные на платформе RepRap принтеры можно приобрести у десятков производителей по всему миру. Как правило, за сумму менее тысячи долларов пока продаются только наборы для сборки, своего рода конструкторы, из которых собирается работающий монохромный 3D-принтер, способный генерировать объекты размером (грубо) с футбольный мяч. Дороже тысячи идут уже собранные, готовые к применению аппараты, оснащенные корпусом, дополнительным программным обеспечением — в общем, не требующие применения паяльника и лобзика. Таков, например, нашумевший в этом году принтер Replicator от компании MakerBot. Пользование таким устройством не требует специальных знаний: достаточно элементарного знакомства с программами 3D-моделирования (впрочем, можно обойтись и без этого — взяв уже готовые к печати модели из веб-коллекций наподобие Thingiverse.com) и некоторого количества наличности на расходные материалы. RepRap и ему подобные печатают с применением сравнительно дешевых биоразлагаемых термополимеров ABS и PLA (стоимость на российском рынке — примерно 500 рублей за килограмм).

От тысячедолларовых 3D-принтеров отчетливо веет самодельщиной, но есть хорошая причина не воротить нос. Вспомните, каким было детство персональных компьютеров: медленные, убогие внешне, неадекватно дорогие при полной кажущейся бесполезности. Но появились электронные таблицы — и стали убойным приложением, проложившим «персоналкам» дорогу в жизнь. А Всемирная сеть, которую не знали, куда приткнуть, вплоть до рождения интернет-коммерции и поисковых машин? Так же и с дешевой трехмерной печатью. Главная ее проблема не в ней самой, а в нас: мы не знаем, как применить технологию, с которой нам посчастливилось встретиться. Но означает ли это, что применения не будут найдены?

Строго говоря, даже сейчас 3D-принтер дома и в офисе может приносить пользу. С его помощью легко изготовить приятные мелочи — бижутерию и игрушки, которые наверняка порадуют даже самого избалованного ребенка и точно будут востребованы модницами, благодаря необычным формам, реалистичности, изяществу. Столь же просто печатается и всевозможная бытовая утварь: веники, скребки, вешалки, ручки, корпуса сотовых телефонов, даже модельная обувь и «дизайнерская» одежда. Поднабравшись опыта, можно замахнуться и на более сложные составные устройства вроде механических игрушек, часов, граммофона, музыкальных инструментов. Все перечисленное уже было напечатано — и, к примеру, на выставке достижений индустрии быстрого прототипирования, проходившей в Лондоне, когда писалась эта статья, на напечатанных музыкальных инструментах играла целая группа.

Важно понимать, что большинство интересных применений 3D-принтеров в быту и малом бизнесе было предложено именно энтузиастами, для которых трехмерная печать остается лишь хобби. Чтобы преодолеть кажущуюся бесполезность, необходимо воображение, а бизнес при всем желании этим похвастаться не может. Энтузиасты строят дешевые принтеры, энтузиасты находят им новые применения, и естественно предположить, что в один прекрасный день именно энтузиасты наткнутся на ту идею (или несколько идей), которые покажут истинный потенциал 3D-печати. Впрочем, теоретики уже обозначают направления, на которых «быстрое прототипирование» окажет революционное воздействие.

Революция в кубе

Первую ломку предстоит пережить так называемому эффекту масштаба. Вспомните главное преимущество фабричного, массового производства перед ручным трудом: с увеличением количества выпускаемой продукции появляется возможность снизить затраты. Но если раньше удешевление достигалось увеличением тиража, 3D-печать позволяет добиться того же эффекта расширением спектра производимой продукции до бесконечности. Фабрика, оснащенная 3D-принтерами, теоретически способна производить сколь угодно большое число модификаций одного продукта, не увеличивая при этом его себестоимости. На такой фабрике исчезает необходимость изготавливать для каждого нового варианта продукта новые отливочные формы, устанавливать новое оборудование, корректировать производственный процесс. И совсем не случайно 3D-печать фигурирует в списке новых технологий, стимуляцией освоения которых Еврокомиссия надеется реанимировать хиреющее европейское производство в ближайшие годы.

МОЖНО ПОПРОЩАТЬСЯ С ЭФФЕКТОМ МАСШТАБА, СТАВШИМ МАНТРОЙ ЭПОХИ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА. ФАБРИКИ, ОСНАЩЕННЫЕ 3D-ПРИНТЕРАМИ, СМОГУТ ВЫДАВАТЬ ДАЖЕ ЕДИНИЧНЫЕ ЭКЗЕМПЛЯРЫ С ТОЙ ЖЕ СЕБЕСТОИМОСТЬЮ. ПРИЧЕМ ЧИСЛО МОДИФИКАЦИЙ ПРОДУКЦИИ (И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДЛЯ КАСТОМИЗАЦИИ) МОЖЕТ БЫТЬ СКОЛЬ УГОДНО БОЛЬШИМ

Производство с акцентом на 3D-печать обретает новую форму, для которой даже придумано свое название — Fab Lab (сокращение от англ. fabrication laboratory — «производственная лаборатория»). Этот широкий термин предполагает постройку микрофабрики — относительно недорогой и оснащенной цифровым оборудованием, так или иначе завязанным на трехмерную печать. Смысл Fab Lab — в способности производить буквально что угодно с применением всех известных материалов. Уже сейчас фаблаборатории способны конкурировать с классической легкой промышленностью по оперативности, широте охвата материалов и себестоимости. В будущем же, когда даже электронные схемы станет возможным печатать на 3D-принтерах, фаблабы и вовсе станут незаменимы. И не думайте, что это лишь прожекты. В середине октября крупнейший фаблаб в США — Shapeways — открывал лично мэр Нью-Йорка Майкл Блумберг, перерезавший ленточку отпечатанными на 3D-принтере ножницами.

Но вернемся к эффекту масштаба. Для чего может потребоваться выпуск неограниченного числа разновидностей одного продукта? Конечно, чтобы удовлетворить запросы покупателей. Это кастомизация — один из важнейших трендов современности. Предложить клиенту что-то уникальное, заточенное лично под него, — значит выбить почву из‑под ног конкурентов. Однако на классической крупной фабрике возможности кастомизации крайне ограничены: даже если это технически осуществимо, вряд ли кто-то станет там менять производственный процесс по тысяче раз на дню ради прихоти клиентов. 3D-печать же снимает всякие ограничения: цвет, форму, размер, индивидуальные особенности продукта можно подстраивать под каждого покупателя.

Наконец радикальная перемена ожидает розничную торговлю, а точнее, классическую модель дистрибуции товаров массового потребления. Как сегодня выглядит товарная траектория, скажем, чайной чашки? Сойдя с конвейера, она отправляется продавцу, ждет своего покупателя и только после этого попадает к нему домой. Масса времени и энергии тратится впустую — на транспортировку и хранение товара. 3D-печать позволяет совершить волшебную трансформацию: владея домашним трехмерным принтером, покупатель просто выбирает из галереи на сайте продавца понравившуюся модель чашки, покупает файл, содержащий ее цифровой образ, и отправляет на печать (либо пользуется услугами ближайшего фаблаба). Реализовать эту схему можно уже сегодня, хоть и со значительными ограничениями по типу материалов и цене. Но в перспективе такой подход не только перекроит сложившуюся модель производства и дистрибуции мелких товаров (поставив крест, в частности, на китайских фабриках ширпотреба), но и ударит по ценам — ведь одним махом устраняются многочисленные накладные расходы.

Самые смелые пропоненты 3D-принтеров делают следующий шаг и пытаются представить, как описанные выше изменения отразятся на отношениях потребителя и брендов. Если одежду, обувь, украшения можно будет печатать на месте и по запросу, не останется ли роль бренда чисто дизайнерской? Впрочем, тут мы вступаем в область догадок. А между тем популяризация объемной печати обещает обществу еще несколько гарантированных ударов по болевым точкам. Речь — о культурных последствиях 3D-революции.

Долой стереотипы!

Минувшим летом по ту сторону Атлантики произошло событие, значение которого популярная пресса и публика пытаются оценить до сих пор. Некий любитель огнестрельного оружия из Соединенных Штатов сумел изготовить на своем 3D-принтере нижнюю часть полуавтоматической винтовки AR-15 — так называемый ресивер, скрепляющий воедино остальные элементы (ствол, спусковой механизм и прочее). После чего провел пробные стрельбы и показал, что винтовка с отпечатанным низом не только дешевле покупного оригинала, но еще и надежней. К слову, именно врожденная невысокая надежность AR-15 помешала минувшим летом печально известному Джеймс Холмсу расстрелять в кинотеатре больше людей, чем он планировал (его винтовку заело).

В ходе разгоревшейся дискуссии выяснилось следующее. Конечно, ресивер — это еще не оружие. Чтобы получить функциональный огнестрел, необходимы детали, выдерживающие высокое давление и температуру (ствол и пр.), а напечатать их на домашнем 3D-принтере пока еще невозможно. Однако с точки зрения закона именно ресивер является тем элементом, который превращает набор разрозненных деталей в винтовку. Поэтому юридически наш герой все-таки произвел на свет огнестрельное оружие.

Вообще ресивер вполне можно выпилить и из дерева или пластика. Тонкость, однако, в том, что если «ручное» изготовление элементов оружия требует как минимум некоторых навыков и знаний, то отпечатать те же компоненты на 3D-принтере сможет каждый желающий, вплоть до ребенка. Цифровые заготовки свободно доступны в Сети: их рисуют энтузиасты, они просачиваются из недр оружейных вендоров (Remington, Sig-Sauer и другие давно и активно используют трехмерную печать, по крайней мере для проектирования новых моделей своей продукции). И пусть не в каждой 3D-коллекции такие файлы можно найти — к услугам пользователей Сети множество специализированных ресурсов.

Таким образом, 3D-принтер становится потенциально опасным инструментом и теоретически может быть причислен цивилизованными странами к списку товаров, продажа которых контролируется государством или даже ограничена. В настоящее время, правда, напряженность снимает факт невысокой прочности материалов, используемых для домашней 3D-печати.

Другая большая проблема (или возможность — это, как всегда, с какой стороны посмотреть), обусловленная популяризацией 3D-печати, названа «напстеризацией¹ реальности». Представьте: вашему ребенку понравился герой мультфильма или видеоигры. Классическое решение — отправиться в магазин и приобрести игрушку (вероятно, произведенную по лицензии, с соблюдением авторских прав). Но все меняет трехмерная печать. Имея в своем распоряжении даже недорогой 3D-принтер, вы можете просто скачать цифровую заготовку и напечатать ту же игрушку сами. Понятное дело, авторам мультфильма в таком случае не достается ни копейки. Конечно, файлами тоже можно торговать, но здесь включается уже знакомый механизм: к примеру, на знаменитом пиратском поисковике The Pirate Bay с недавних пор можно искать не только фильмы, музыку, программное обеспечение, но и так называемые physibles — модели для 3D-печати.

А ведь трехмерная печать позволяет так же легко «материализовать» не только нарисованную фигурку, а и практически любой предмет из окружающего нас мира, от цветов и насекомых до человеческих лиц. Требуется лишь предварительно «оцифровать» его, для чего применяются 3D-сканеры (простые в обращении компактные устройства, в реальном времени обмеряющие объект и генерирующие готовый к печати 3D-файл; взгляните, к примеру, на продукты FARO Technologies). Таким образом, чума цифрового пиратства, с которой безуспешно сражаются производители музыки, кино и софта, перекинется и на дизайн материальных объектов. Что само по себе рождает множество вопросов. Наверняка можно декларировать эксклюзивные права на мультипликационный образ. А вот на прическу или макияж? Фасад здания? Форму букета?

«Напстеризация реальности» осложняется еще и тем, что, в отличие от музыки, фильмов, программного обеспечения, для 3D-печати не существует так называемых механизмов управления цифровыми правами (DRM). Попросту говоря, даже если предположить, что правообладатели вдруг получат юридическую возможность заявлять права на воспроизведение материальных объектов, технической возможности проконтролировать соблюдение этих прав нет: 3D-принтеры и прикладное программное обеспечение «не умеют» отличать лицензионный контент от нелицензионного. Только сейчас под этот вопрос начинают подводить базу в виде ранних патентов — и по тому, какие игроки здесь заняты, можно судить о перспективах темы. Так, в октябре весьма широкий патент на механизм распознавания нелицензионного 3D-контента в США получила компания Intellectual Ventures (возглавляемая бывшим техническим директором Microsoft Натаном Мирвольдом, который имеет репутацию крупнейшего на планете патентного тролля).

Задание на дом

Впрочем, энтузиастам объемной печати столкновения с законом и социальными стереотипами пока мешают меньше всего. Популяризации 3D-принтеров препятствуют главным образом чисто технические сложности: недостаток прочности, ограниченный набор материалов и высокие цены. Малая прочность проистекает из особенностей наиболее ходового сырья. Предметы, напечатанные пластиками PLA и ABS, хрупки, плохо переносят и высокие, и низкие температуры (рабочий диапазон — от -20 до +80), и даже солнечный свет. При этом по объективным причинам далеко не каждый предмет можно изготовить из пластика или даже металла. Наконец, экзотичность технологий быстрого прототипирования прямо сказывается на стоимости оборудования и расходных материалов.

Хорошая новость в том, что каждый месяц теперь приносит прорыв в каком-нибудь из этих трех направлений. К примеру, хрупкий пластик для дешевых 3D-принтеров уже в обозримом будущем, вероятно, уступит место нейлону: он более термически прочен и эластичен, а потому пригоден для печати износостойких, практичных вещей. А в лабораториях ведутся эксперименты с печатью белковыми соединениями (иначе говоря, мясом; в такие разработки вложился, в частности, Питер Тиль²), шоколадом, электропроводящими чернилами, живыми клетками (на выходе биопринтера Novogen MMX — живая ткань; до печати целых органов еще лет десять, но фармацевты уже используют «напечатанную» ткань для тестирования медикаментов), сложными полимерами (предположительно, лунные и марсианские базы можно будет печатать на месте, из песка), даже химическими соединениями (британские химики предлагают производить такие медикаменты на дому).

Самое важное сейчас — побороть в себе пассивного наблюдателя. Не ждать, когда цены упадут ниже психологически приемлемых, когда появятся новые рабочие материалы. Все это несомненно случится в ближайшем будущем. Конкуренция между вендорами 3D-принтеров уже ощутима, а начавшееся истечение патентов, выданных 3D-изобретателям четверть века назад, подстегнет предпринимательскую активность и неизбежно ударит по ценам. Важно участвовать в этом процессе, иначе будущее могут напечатать без вас.

Рискните! Не пожалейте тысячи долларов на конструктор 3D-принтера (Printrbot, основанный на RepRap, предлагается уже за $400) либо возьмите одну из готовых к работе «из коробки» домашних моделей (пользоваться принтером Cube от Cubify смогут даже дети). Да, их возможности ограничены, но, начав экспериментировать сейчас, вы быстрее других поймете, куда это может привести. Неизведанный континент трехмерной печати все еще ждет своих пионеров.


1 Неологизм от Napster – названия первого популярного пирингового онлайн-сервиса, созданного в 1999 году и позволявшего пользователям легко обмениваться музыкальными файлами — в основном с нарушением авторских прав. В дальнейшем сайт был куплен инвесторами и превращен в легальный сервис.

2 Известный американский ИТ-пред­при­ни­матель и венчурный капиталист, сооснователь PayPal, первый инвестор социальной сети Facebook.

 

Комментарии ВКонтакте
Яндекс.Метрика