Авторский вариант. Впервые опубликовано в "Бизнес-журнале" №5/2014
24.5.2014

3D-печать: сегодня, завтра, всегда!

Англичанину Стивену Пауэру здорово повезло. Пару лет назад на своём мотоцикле он попал в страшную аварию, на месяцы уложившую его в больницу. Ходить в конце концов он смог, однако лицевые кости оказались переломаны так сильно, что на людях Стив с тех пор появлялся только в тёмных очках и шляпе, скрывающих изуродованное лицо. В чём же везение? Случись это ещё десятью годами ранее, он остался бы таким навсегда. Теперь же, прибегнув к помощи стремительно развивающейся технологии, называемой 3D-печать, хирурги смогли вернуть ему если не былую красоту, то по крайней мере сделать последствия аварии незаметными. Врачи сканировали его череп томографом и создали объёмную компьютерную модель, спроектировали крепёжные имплантаты, поддерживающие кости в нужных местах, после чего отпечатали их на 3D-принтере в титане и вживили. Результат? По словам Стива, это изменило его жизнь, позволив вернуться в общество.

Случай Пауэра — лишь один из практически бесконечного списка удивительных и интересных применений 3D-печати, технологии, ещё вчера бывшей экспериментальной, а сегодня стучащейся в дома и офисы. Предысторию и техническую изнанку «Бизнес-журнал» описывал подробно в 2012 году (см. «Напечатай, будет жить!»), но в них нет ничего особенно сложного. Можно сказать, объёмная печать покоится на трёх «китах», изобретённых ещё в 80-х годах прошлого века, но лишь в последние несколько лет нашедших действительно широкое применение.

В общем случае идея «объёмной печати» сводится к созданию по цифровой (т.е. существующей только в памяти компьютера) модели точно повторяющего её материального объекта. А достигается это с помощью тех самых трёх «китов». «Кит» первый — стереолитография (SLA): в ванночку, заполненную твердеющим на свету полимером, на небольшую глубину (в доли миллиметра) погружают подложку и лазерным лучом рисуют на ней контуры объекта. Потом подложка опускается и рисуется новый слой — и так далее, пока в растворе не «вырастает» вся модель.

Другой «кит» — печать расплавленным материалом (FDM): модель рисуется опять-таки слой за слоем, каплями расплавленного пластика, которые выдаёт движущаяся в трёх измерениях печатающая головка (её называют экструдером).

Наконец, третий «кит» это лазерное спекание (DMLS): луч мощного лазера рисует модель слой за слоем в тонком (как правило металлическом) порошке, образуя металлический монолит.

Строго говоря, существуют и другие технологии 3D-печати, но названные три покрывают львиную долю всех применений. У каждой из них свои достоинства и недостатки. Например, DMLS позволяет изготавливать металлические объекты, качественно не уступающие продукции классической металлургии, но оборудование весьма дорогостоящее. В свою очередь FDM-принтеры сравнительно дёшевы, но страдают от невысокой точности и прочности. SLA занимает промежуточное положение. Вот почему, классифицируя 3D-принтеры, лучше подразделять их по сферам применения, а не особенностям конкретной технологии печати.

Серьёзные и не очень

Всё многообразие таких устройств делится на три больших класса, два из которых выражены хорошо, а третий только начинает формироваться. Это — с верхней стороны — профессиональные или (как их чаще называют) промышленные машины, снизу — машины бытовые. И между ними тонкая прослойка т.н. просьюмерских 3D-печатающих устройств, пытающихся объединить преимущества тех и других.

Что касается промышленных 3D-принтеров, здесь балом правят два гиганта, с которых, собственно, 3D-печать и начиналась. Это компании 3D Systems и Stratasys. Та и другая специализируются на производстве дорогих крупных машин, позволяющих быстро изготовить прототип (почему 3D-печать долго и называли «быстрым прототипированием») или уже готовую к эксплуатации деталь для любой отрасли промышленности, от здравоохранения и нефтегазодобычи до автомобиле- и авиастроения и даже «космоса». Примером таких аппаратов могут служить серия Production от Stratasys (объём изготовляемой детали вплоть до кубометра; печать различными видами пластика, в том числе биосовместимым, механически, химически и термически стойким) и серия ProX от 3D Systems (работающая в том числе с металлами). Стоят они, как правило, десятки и сотни тысяч долларов, отчего чаще не покупаются, а берутся в лизинг.

Выгоды там и там одинаковые: форму печатаемой детали можно выдержать чрезвычайно точно (вплоть до десятков микрон), спроектировать её в разы более лёгкой, сделать более дешёвой (за счёт меньших расходов на проектирование, организацию производственного процесса) по сравнению с аналогичным изделием, получаемым классическими методами (отливкой, например). Самыми ярыми сторонниками «3D-печатного производства» считаются сегодня Boeing и General Electric. А ещё на промышленную 3D-печать засматриваются военные по крайней мере двух супердержав — США и Китая (ведь с помощью таких принтеров возможно, к примеру, быстро чинить технику в полевых условиях).

На другом конце спектра находятся бытовые 3D-принтеры. Эту нишу тоже пытаются подмять под себя упомянутые выше гиганты, за последнее время обзаведшиеся консьюмерскими подразделениями (Cubify у 3D Systems и MakerBot у Stratasys), но не счесть и независимых стартапов, которые планируют или уже продают собственные 3D-принтеры бытового класса. Типичными примерами таких машин могут служить Replicator Mini от MakerBot, анонсированный этой весной по цене $1400, и da Vinci 2.0 Duo от тайваньской XYZprinting по цене менее $700.

Как правило, вне зависимости от производителя, бытовым моделям свойственны общие ограничения. Прежде всего, это небольшой рабочий объём: грубо говоря, их рабочее пространство ограничено габаритами булки хлеба. Потом, невысокая прочность: печатают они термопластиком ABS или биоразлагаемым пластиком PLA, килограмм которых идёт по цене от 30 до 50 долл. США, но изделия из которых механически и термически весьма непрочны. Оставляет желать лучшего точность: толщина слоя порядка 200 микрон, самая мелкая деталь 400 микрон — что вкупе с неизбежной усадкой (в процессе застывания извергнутых капель пластика) даёт грубые, различимые глазом и на ощупь «швы» и стыки. Наконец, производительностью они тоже не блещут: на печать средних размеров объекта тратится порядка одного часа.

И тем не менее — парадокс! — именно бытовые 3D-принтеры, фактически появившиеся лишь в последние три года, получили наиболее широкое распространение, да и вообще сформировали представления публики об «объёмной печати» как таковой. И хоть говорить о проникновении в каждый дом пока рано, среди энтузиастов они уже очень популярны.

Чтобы оценить размах фантазии и области применения бытовых 3D-принтеров, достаточно заглянуть в любую из открытых веб-коллекций 3D-моделей: Thingiverse.com, Shapeways.com, 123dapp.com. Отсюда можно позаимствовать готовый к печати объект, здесь можно разместить модель собственной разработки, чтобы ею воспользовались другие. Здесь огромное множество игрушек: миниатюрные фигурки людей, животных, образцов техники — они невероятно детальны, такое не вырежешь из дерева, не склеишь из бумаги. Здесь же каркасы и запчасти для техники настоящей, в частности, дронов. Учебные пособия: модели атомов, кораблей и самолётов, анатомические схемы. Невероятных форм печатная бижутерия. Мелкая бытовая утварь — от кнопок, ручек, панелей, декораций для электронных устройств, подсвечников, вешалок и прочего для дома, до деталей всамделишных музыкальных инструментов. И не только монолитные, неподвижные конструкции, но и составленные из множества элементов цепи, механические передачи, часы и прочее подобное.

Бытовые 3D-принтеры можно с пользой применить и в офисе — к примеру, для быстрого изготовления точных масштабных моделей любых продуктов, от элементов декора до целых зданий. Мешает делу главным образом невысокая точность таких устройств. Как уже говорилось выше, результат работы бытового объёмного принтера часто лишён столь необходимого в бизнесе внешнего лоска. Решить эту проблему надеются разработчики просьюмерских 3D-машин. Примером может служить аппарат Form 1 от компании Formlabs. Использующий SLA-процесс, он позволяет печатать слоями толщиной всего 25 микрон, а минимальный размер «точки» составляет 300 микрон. Кроме того, поскольку отсутствует термическая усадка, напечатанный объект смотрится намного более выигрышно по сравнению с результатами работы бытовых 3D-принтеров: имеет правильную, равномерную текстуру на ощупь, визуально безупречную сетку слоёв. Показать такую фигурку клиенту будет не стыдно. Однако и цена заметно выше, в данном случае $3300. Предполагается, что основной спрос на просьюмерские устройства сформируют представители малого и среднего бизнеса, которым 3D-печать интересна, но которым промышленные установки не по карману.

Вероятно, именно просьюмерские 3D-принтеры первыми получат и встроенную функцию 3D-сканирования (дигитайзинга) — для выполнения обратной по отношению к печати операции: создания цифровой модели существующего объекта. Отдельно дигитайзеры уже продаются (как MakerBot Digitizer за $949), но кажется логичным (и технически несложным) имплантировать эту функцию в сам принтер. В таком случае 3D-принтер превращается в подобие копира, с его помощью становится возможным быстро изготовить копии любого некрупного предмета. Некоторые аналитики считают даже, что именно функция 3D-копирования станет наиболее востребованным применением 3D-печати в ближайшем будущем.

Печатать всё, всегда и всем!

Приятная новость в том, что параллельно и независимо от трёх основных секторов, в 3D-печати существуют и развиваются множество специфических альтернативных направлений. Например, в Китае и Голландии исследователи работают над увеличением размера рабочего пространства принтера — и уже пробуют печатать целые дома. Такой «принтер», созданный, например, компанией Dus Architects, представляет собой огромную конструкцию, по габаритам близкую к железнодорожному вагону. Печать ведётся особым пластиком или бетоном, на выходе образуются отдельные панели и крупные элементы каркаса. Пока это больше эксперимент, нежели бизнес, но достоинства уже очевидны: напечатать обычный жилой коттедж можно за несколько дней по цене от нескольких сот тысяч рублей, без внутренней отделки (как у практичных китайцев) или сразу с ней (так у голландцев), с минимальным привлечением рабочих рук и максимально дешёвыми материалами. Отдельный плюс такого подхода — необычный внешний вид: фактуру стен, внутреннего убранства, можно программировать чрезвычайно гибко (вручную такого не сделаешь, либо стоить будет очень дорого).

А в Соединённых Штатах энтузиасты прорабатывают идею печатного огнестрельного оружия. Легендой стал опыт американца Коди Уилсона — спроектировавшего и собственноручно испытавшего первый печатный огнестрел, The Liberator (исходники его теперь гуляют по Сети, обрастая изменениями и улучшениями). Уилсон доказал, что даже хрупкий термопластик в умелых руках может быть смертельно опасен. Идея вкратце в том, чтобы химически обработать самые уязвимые части печатного пистолета и тем самым сделать их крепче. Похожим образом печатают и запчасти для обычных пистолетов и винтовок. Впрочем, и металлическое печатное оружие уже тоже есть: минувшей осенью сотрудники компании Solid Concepts спроектировали и успешно опробовали (сотни выстрелов без проблем) цельнопечатный металлический «браунинг».

А пищевая 3D-печать? Создатели аппарата Foodini, например, надеются, что со временем 3D-принтер станет таким же обязательным атрибутом кухни, как микроволновка. Foodini по размеру схож с 3D-принтерами бытового класса, но сырьём для него служит не пластик, а съедобные вещества. Пользователь заливает измельчённые «исходники» в пять контейнеров — мясное пюре, варенье, шоколадную массу, тесто, яйца и прочее, что понадобится — после чего включает печать по нужной программе. На выходе можно получить равиоли с любой начинкой и любой мыслимой формы, бургеры, пиццу, шоколадные фигурки. Рецепты-программы можно составлять самому, а можно скачивать из Сети. Строго говоря, Foodini пока ещё не построен, на него только собирают деньги (организована краудфандинговая кампания, что вообще типично для бытовых 3D-принтеров), но технических сложностей не предвидится и, вероятно, уже в следующем году его можно будет приобрести в рознице.

Чем хороша пищевая 3D-печать? Помимо всплеска фантазии и невероятного внешнего вида получающихся продуктов, а также экономии времени хозяйки, эта технология, как ожидается, поспособствует переходу к более здоровому питанию (ведь вместо полуфабрикатов, доводимых до кондиции в микроволновке, обыватель будет кушать блюда, «собранные» из стопроцентно органического, без вредных добавок, сырья).

Ещё более яркие перспективы видятся для 3D-печати в медицине. Помимо уже отлаженного и сравнительно широко практикуемого изготовления таким образом всевозможных протезов — таза, рук, элементов черепа и почти целиком черепной коробки, зубов, слуховых аппаратов и прочего, где очень пригодилась возможность контролировать форму изделия с высокой точностью — развивается экспериментальное направление так называемой 3D-биопечати. Биопечать предполагает создание кусков живой ткани или даже целых органов. Примером устройства, реализующего эту технологию, может служить Novogen MMX Bioprinter: функционально он схож с бытовыми 3D-принтерами, но в качестве сырья применён не пластик, а раствор живых клеток — капля за каплей, по заданной программе, высаживаемых на подложку и образующих в конце концов цельную ткань.

Результат работы такого принтера как минимум полезен для фармацевтических компаний, которые используют напечатанные лоскуты нервной, лёгочной, сердечной, печёночной и прочих видов живой ткани в ходе проверки эффективности новых лекарств (так быстрей, дешевле, безопасней, чем тестирование на животных или человеке). Очевидна польза для трансплантологии: отпечатанные лоскуты, теоретически, можно приживить человеку. Но звёздным часом 3D-биопечати должно стать создание полноценных органов — вроде печени, которую, как ожидается, можно будет печатать за считанные сутки. Пока, правда, так напечатали только человеческое ухо, да и его пришивать пациенту не рискнули, но такие опыты должны быть поставлены уже в ближайшие два года. Ведь тут на кону уже не деньги, а человеческие жизни: донорских органов постоянно не хватает, а биопечать позволит создавать новенькие органы буквально из ничего!

Впрочем, прежде, чем это светлое будущее наступит, 3D-печати предстоит преодолеть множество не только технических, но и юридических и нравственных трудностей. Скажем, биопечать должна пройти всестороннюю проверку и получить одобрение медрегуляторов, правозащитных организаций и, пожалуй, церкви. А бытовая и просьюмерская 3D-печать столкнулась с «пиратством»: поскольку ни технические, ни правовые средства защиты 3D-моделей ещё не отработаны, их воруют, перепродают, распространяют без спроса и разрешения, модифицируют без согласия на то авторов.

Наконец, не совсем понятно, как ограничить явно незаконные применения 3D-печати. Возможностью очень точно копировать материальные объекты уже воспользовались, к примеру, скиммеры — воры, крадущие номера пластиковых карт с помощью шпионской электроники, несанкционированно устанавливаемой на банкоматы. Такую электронику необходимо тщательно маскировать — и тут очень пригодились 3D-принтеры: с их помощью оказалось легко изготовить декоративные панели, неотличимые от «фирменной» внешности банкоматов. Применение 3D-печати сильно поспособствовало успеху скиммерских операций: как показал опыт, «высокотехнологичные» мошенники уносят больше денег, потому что их аппаратура остаётся незамеченной дольше.

Дешевле, но лучше!

Никто, впрочем, не полагает всерьёз, что те или иные трудности — особенно правового или морального плана — способны остановить уже набравший ход локомотив 3D-печати. В дискуссиях о ближайшем будущем основное внимание уделяется обсуждению наиболее вероятных направлений движения. Обобщая, можно выделить три вектора: снижение цены, повышение точности и расширение спектра рабочих материалов.

С ценой проще и приятней всего: она должна снизиться по мере усиления конкуренции, но даже сейчас прогресс уже ощутим. Ещё два года назад заветным «психологическим» рубежом для производителей устройств 3D-печати была одна тысяча долларов — но его проскочили не остановившись. На выставке Inside 3D Printing, состоявшейся этой весной в Нью-Йорке, было представлено множество объёмных принтеров по цене около $500. И есть все основания утверждать, что ещё до конца года планка опустится ниже $300.

Когда эта статья писалась, компания M3D показала прототип принтера Micro по планируемой цене всего в $249 (релиз в августе) — функционально ничем не уступающего имеющимся сегодня в продаже тысячедолларовым аппаратам $1000. Кстати, любопытный факт: запрошенный его авторами бюджет в $50 тыс. (как и многие другие, они сделали это на площадке Kickstarter) удалось собрать за десять минут, после чего в несколько дней сборы превысили миллион долларов. Таков спрос на дешёвые 3D-принтеры!

На рынке уже присутствует и минимум один 3D-принтер по цене менее $100. Это «объёмный карандаш» 3Doodler, также профинансированный краудфандингом. Пользователь водит им в пространстве, а он выдаёт тонкую струю быстрозастывающего пластика нужного цвета и текстуры. Таким образом можно создавать и простейшие фигуры («сплетённые из проволоки» надписи, например), и весьма сложные объекты (скажем, реалистичную модель Эйфелевой башни). Декораторам 3Doodler явно пригодится, хоть, конечно, диапазон применений и кажется ограниченным: точность при рисовании от руки уж очень невелика.

Точность — вообще одно из самых больных мест бытовой и просьюмерской 3D-печати. В значительной степени она зависит от качества механики принтера, но резерв возможностей, к счастью, ещё не выбран. Авторы M3D Micro, например, реализовали в своём принтере функцию самоконтроля: экструдер самостоятельно следит за точностью своих перемещений и сам же себя юстирует, гарантируя неизменную точность печати даже спустя тысячи рабочих часов. Однако мельчайший размер точки у него всё равно ограничен 450 микрометрами, что обусловлено применяемым материалом (всё теми же ABS, PLA, которые «усаживаются» и требуют времени на застывание).

Вот почему большие надежды связываются с освоением новых рабочих материалов. На замену термопластику в ближайшее время, вероятно, придёт нейлон — который обладает лучшими термическими, химическими и механическими свойствами (напечатанные нейлоном предметы под нагрузкой не ломаются, а эластично гнутся). Приспособить существующие принтеры для печати нейлоном должно быть не слишком трудно и, к примеру, тот же M3D Micro для этого пригоден. Это, в свою очередь, откроет 3D-печати новые двери, в области весьма востребованные широкой публикой. Например, дома можно будет печатать одежду и обувь, качественно не уступающую промышленным образцам.

Параллельно идут (вполне успешные) работы по освоению 3D-печати керамическими смесями. Но главное, исследователи надеются привести в бытовую и просьюмерскую объёмную печать металлы. С некоторыми оговорками прототипы таких аппаратов уже существуют: например, Mini Metal Maker при (планируемой) цене в $1000 позволяет печатать клейкой пастой из металлической пыли. После печати объект отжигают в печи, сплавляя металлические частички в монолитную массу. Прочность и точность невысоки, но тем не менее даже в таком виде диапазон возможных применений 3D-печати сильно расширяется: можно печатать ювелирные изделия, некрупные детали, выдерживающие механическую постобработку (сверление, шлифовку и пр.), предположительно даже электронные схемы и электрические устройства (например, трансформаторы).

Однако есть надежда, что уже в следующие несколько лет в быту и офисе станет доступна и полноценная технология лазерного спекания. Дело в том, что как раз сейчас истекают ключевые патенты, защищающие права на технологию DLMS. И так же, как истечение патентов на FDM и SLA спровоцировало появление самого класса бытовых 3D-печатных устройств, истекшие DLMS-патенты наверняка поспособствуют проникновению металлической объёмной печати за пределы промышленного сектора.

Аналитики считают, что как только 3D-принтеры подешевеют до уровня смартфонов (что случится неизбежно, ведь в гонку уже включаются матёрые производители оргтехники — например, HP), начнётся массовое проникновение этого класса устройств в дом и офис. В конце концов они будут стоять на каждом рабочем столе, в каждом жилище: дешевизна с сочетании с технологической новизной станет достаточной причиной для покупки. И даже если массовой популярности 3D-принтерам удастся избежать (например, их освоение покажется обывателю слишком сложным), уж конечно у каждого будет возможность заглянуть в ближайший 3D-киоск или сделать заказ на печать в соответствующих веб-сервисах (уже сегодня они столь востребованы, что ждать исполнения заказа, например, в Shapeways, приходится неделями). В свою очередь это позволяет предположить неприятные последствия как минимум для традиционной лёгкой промышленности: ведь любую мелкую вещицу будет дешевле изготовить на месте, самому, нежели покупать.

Кое-кто, впрочем, считает, что роль бытовых и просьюмерских 3D-принтеров переоценена. Но и они верят в великую судьбу, уготованную 3D печати — просто смотрят со своей, «промышленной» колокольни. AutoDesk (которая подходит со стороны программного обеспечения), Epson (планирующая в пять лет создать мультиматериальный промышленный 3D-принтер), альянс Mitsubishi, Nissan и Panasonic (с рядом других японских компаний работающие над промышленным 3D-принтером для массового производства; результат уже в следующем году) — все они верят, что нас ждёт новая промышленная революция, питать которую будут порождённые спросом на 3D-печать инновации в программном обеспечении, материаловедении, машиностроении.

Кто бы ни оказался прав, аналитики предвещают мировому рынку 3D-печати бурную пятилетку, с 50% ростом каждый год. При этом сектор услуг и расходных материалов будет стабильно генерировать вдвое большие обороты, нежели продажи самих 3D-принтеров.


3D-печать,M3D_Micro,3Doodler,краудфандинг,Foodini,The_Liberator,оружие,Solid_Concepts,DMLS,FDM,SLA

На форуме есть подходящий раздел.