3D-печать – вчера, сегодня, завтра

Мегатонны публикаций на тему 3D-печати, грядущей революции и чуть ли не пророческих текстов о кардинальных переменах в нашей жизни – все это сопровождало 3D-принтеры с 2010-го по 2013 годы. Но уже начиная с 2014-го весь этот хайп резко пошел на спад. Что же случилось? Неужели с 3D-печатью все так плохо? Или дело в чем-то другом?

Как все начиналось?

Максимальное удешевление производства. Камень преткновения современной высококонкурентной экономики. С одной стороны, хочется выделяться среди сотен (если не тысяч) однообразных решений. И предлагать своим потребителям не просто очередной хороший продукт, но и нечто визуально узнаваемое. То, в чем есть безошибочно определяемый стиль. Своя изюминка. Ну, казалось бы, в чем здесь проблема? Берем лучшие из сколь-нибудь экономически целесообразных материалов. Нанимаем крутого дизайнера и… PROFIT! Не тут-то было!

Флагман без компромиссов. Но…

Есть еще другая сторона. И у нее есть характерный цвет кожи, забавный разрез глаз, миллиард с лишним ртов, которые нужно кормить, и титаническое желание это делать. Да, правильно. Мы говорим о китайцах. Конкурировать с миллионными тиражами пусть типовых, но вполне качественных и надежных продуктов с актуальными характеристиками производителям изысканных дизайнерских решений становится год от года все труднее.

Я твой дизайнь каландась абвадиль!

И сложность тут далеко не в том, что сами материалы или хороший дизайнер стоят денег. Все это безусловно так. Только корень зла состоит еще и в том, что каждый год, выводя на рынок новый продукт с новым дизайном, производителю необходимо вкладывать средства в по крайней мере частичную переоснастку производственных линий. Договариваться с новыми поставщиками материалов. Выпускать новые формы для штамповки и решать еще огромную кучу сопутствующих проблем. Все это в итоге увеличивает себестоимость. И балансировать на тончайшей грани конкурентоспособности с такими ценами год от года все сложнее. Нужен какой-то кардинальный выход. Обычными станками с ЧПУ уже не отделаешься. Необходим принципиально иной подход к производству деталей и конструкций в целом.

То, что карандашом фиг обведешь :)

Как говорится, все уже придумано до нас. Не является исключением и 3D-печать. Необходимость в устройстве, способном быстро, точно и при этом максимально дешево производить объекты сложных форм, была очевидной еще в 80-е годы XX века. Чарльз Халл в 1986 году разработал, запатентовал и изготовил прототип устройства под названием Stereolithography Apparatus. Или просто SLA-установки. Как ясно из названия, устройство использовало принцип стереолитографии. Фактически, SLA Чарльза был предтечей современных 3D-принтеров, но с рядом существенных отличий:

1. “Строительным материалом” служили фотополимеры (да, как в зубных пломбах) в жидком состоянии.
2. “Запекались” слои будущего объекта под воздействием лазерного луча.

Основанная изобретателем фирма 3D Systems в 1988 году произвела на свет и фактически первую в мире серийную модель 3D-принтера – SLA-250.

Первый серийный 3D-принтер в мире. SLA-250. 1988 год

Стереолитография по сей день является одним из самых точных методов 3D-печати. За счет применения лазера и жидких мелкодисперсных фотополимерных смол она позволяет печатать объекты с невероятно высокой детализацией. Но не обошлось и без недостатков. Здесь это очень высокая цена, влияющая также на себестоимость итоговых изделий, и низкие эксплуатационные характеристики. К тому же такой метод был существенно ограничен применением всего одного типа материалов. Преодолеть их в рамках описанного техпроцесса так и не удалось. Потому метод уступил место более экономически целесообразным.

SLS-метод в действии

Основатель компании Stratasys, Скотт Крамп, в 1990-м году совместно с женой предложили немного иной метод лазерной печати. Т.н. “метод лазерного спекания” (SLS). Фактически речь идет о той же стереолитографии, но с рядом кардинальных отличий. Во-первых, метод четы Крампов подразумевал использование в качестве сырья разного рода порошков. Это позволяло с одной стороны отойти от жидкостей, а с другой – существенно расширяло номенклатуру материалов, добавляя к фотополимерам еще и металлы. А во-вторых, лазерное спекание оказалось существенно дешевле литографии. При сопоставимой с последним точности и уровню детализации получаемых “отпечатков” этот метод уступал лишь в одном – поверхность при печати получалась немного пористой. Что в некоторых случаях могло потребовать постобработки.

Принцип струйной 3D-печати

Следующей вехой в развитии 3D-печати стала работа двух студентов MTI, которые в 1993 году, внеся модификации в “железо” и программную часть обычного струйного принтера, научили последний послойно печатать 3D-объекты. Позднее эти же студенты создали компанию Z Corporation, выпускающую принтеры, в основе которых лежит та же струйная технология. Но и струйная технология не давала желаемого уровня экономической целесообразности.

Технологии дня сегодняшнего

С SLA, SLS и струйной печатью мы разобрались. Но как же дела обстоят сегодня?

1. Лучевая плавка – идейный аналог SLS. Но отличается тем, что позволяет печатать объекты только из металлического порошка и только в вакууме. Работая по принципу электрической дуги, прямо как в традиционной металлургии.
2. Метод наплавления – то, что мы с тобой привыкли видеть в youtube. Фактически самый распространенный и самый дешевый на сегодняшний день метод печати. Работает с той самой легкоплавкой нитью-“проволокой”. Зачастую пластиковой. Укладывая разогретую до температуры плавления нить слоями при помощи печатающей головки-экструдера, формирует итоговый объект. Посредственная по сравнению с лазерными методами точность. Необходимость в постобработке. Существенные ограничения по материалам. Но при этом дешевизна как сырья, так и печатающего оборудования.
   

Увы, те самые MakerBot-ы, печатающие ручки и прочие 3D-принтеры “для всех”, работают именно по методу наплавления. Создать дешевую потребительскую альтернативу таким устройствам пока не удалось никому. Именно это и является причиной непопулярности темы 3D-печати у IT-прессы.

Промышленное применение

С тем, почему 3D-принтеры до сих пор не стоят подобно своим классическим 2D-собратьям в каждом доме, мы разобрались. Но это лишь потребительская часть рынка. Есть же еще промышленность. Заводы и фабрики. В конце концов, именно для нужд массового производства и развивались технологии 3D-печати! Не одним же “быстрым прототипированием” и баловством с печатью стаканчиков заниматься.

А тут мы наблюдаем абсолютно иную картину. Ключом к пониманию положения дел может служить та же давно отгремевшая выставка CES 2015. На ней различными компаниями-производителями было продемонстрировано столько всего, что просто глаза разбегаются. Да, все это тому же MakerBot-у, который вы за ~$3K можете купить и в украинской рознице, только снится. Но печать эластичными материалами, живыми клетками, с потрясающей точностью – вот то, что нам нужно. Мое личное мнение – на текущий момент нам абсолютно не нужны все эти “потребительские устройства”. Вполне хватит и того, что могут предложить производители готовой продукции. Если товары, созданные по технологиям 3D-печати, смогут конкурировать как по стоимости, так и по качеству с традиционными, то это и будет началом новой эры в производстве. Эры, когда численность рабочих не будет играть практически никакой роли.

Эры, когда строительство дома будет осуществляться исключительно по ГЗОТ-у, без воровства цемента и кирпича. С эталонным соблюдением регламентных норм. Потому что строить его будут не люди. А робот-принтер. За несколько дней, а не месяцев.

Эры, когда органы для трансплантации будут “печататься” из идеально совместимых с нашим организмом биоматериалов. А не браться у доноров.

Вывод прост. Перед тем как ныть о слишком дорогих, громоздких и плохо работающих домашних 3D-принтерах, давай научимся смотреть на ситуацию под другим углом. Оставим 3D-печати дня сегодняшнего промышленные, научные и медицинские сферы применения. Пусть технология приносит пользу обществу уже сегодня. До скорого!