Напечатай, будет жить!

Попробуйте назвать величайшие технологические прорывы конца XX — начала XXI веков. Вам непременно вспомнятся персональный компьютер и Веб, альтернативная энергетика и частная космонавтика, социальные сети, сотовая связь, цифровой звук. Но рискнёт ли кто-то из вас вписать в этот список технологию со странным названием «быстрое прототипирование», именуемой в обиходе трёхмерной печатью? Бывшая уделом учёных и крупных предприятий ещё 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 её в «официально утверждённом» 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 её дома и в офисе, обычно согласны с утверждением: однажды 3D-печать перевернёт мир, устроив минимум новую промышленную, а возможно ещё и культурную революцию!

Согласно общепринятой хронологии, идею «материализации» объёмных объектов из цифровой модели подал и реализовал в середине 80-х годов прошлого века 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, будучи освещена ультрафиолетовым лазером). Теперь дело за малым: осветим лазерным лучом некоторые точки. Там, куда попал луч, на металлической площадке образуются тончайшие (в доли миллиметра) твёрдые сгустки. Теперь 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 объёмная фигура, нарисованная лазером под управлением компьютера. Халл назвал эту технологию стереолитографией (обычно сокращают до SLA), заложив таким образом первый камень в основание индустрии трёхмерной печати.

А несколько лет спустя другой американец, Скотт Крамп (Scott Crump), предложил свой способ «материализации», получивший название Fused Deposition Modelling (FDM). На русский язык это примерно переводится как «печать расплавленным материалом» — и так оно на самом деле и есть: представьте себе струйный принтер, печатающая головка которого наделена способностью двигаться в трёх измерениях и выплёвывает вместо краски расплавленные капли быстро затвердевающего вещества (термопластик, металл). Капля за каплей, слой за слоем FDM-принтер конструирует объекты любой мыслимой сложности. У такого способа трёхмерной печати свои недостатки (точность, как правило, ниже, чем у SLA, но тоже измеряется долями миллиметра), но и свои достоинства (шире диапазон возможных материалов, нет нужды в дорогом лазере, процесс менее капризный и т.д.).

После этого было предложено ещё с полдюжины различных способов «материализации» объёмных объектов, от выборочного спекания порошков лазерным лучом (SLS) до применения особых красок и даже пучка электронов. Между делом кто-то выдумал и сам термин «трёхмерная 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), чрезвычайно точно формировать объекты практически любой формы, хоть и ограниченного размера и, как правило, не слишком высокой механической и термической прочности. Ничего удивительного, что когда идеей заинтересовались энтузиасты, они сделали ставку на технологию FDM — пусть не дающую высокой точности, прочности и разнообразия цветов (в массе своей такие принтеры пока монохромны), зато сравнительно дешёвую. Именно детище Крампа дало трёхмерной печати шанс проникнуть в дом и офис.

Воплощая мечту

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

Халл, Крамп и сотрудники MIT стали пионерами коммерческого применения 3D-печати. Именно они основали упомянутые здесь столпы «трёхмерной» индустрии 3D Systems, Stratasys и Z Corp (вошедшую в этом году 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 дешёвых, чтобы быть полезными для малого офиса и даже дома.

Наглядной иллюстрацией случившегося за последние годы эволюционного рывка может служить проект RepRap, в рамках которого энтузиасты разрабатывают одноимённый 3D-принтер. Помимо дешевизны и простоты авторы преследуют ещё 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 даёт право всем желающим самостоятельно собрать такой принтер, экспериментировать с ним, модифицировать и даже продавать. Во-вторых, RepRap должен уметь самовоспроизводиться, то есть быть в состоянии сам напечатать все необходимые для своей сборки детали, включая и электронику. По состоянию на текущий момент, за семь лет работы, вторая цель ещё не достигнута (и, вероятно, будет достигнута не скоро по объективной причине: пока не существует технологий трёхмерной печати, способных произвести микроэлектронные схемы, функционально сопоставимые с производимыми классическими методами), но многие механические элементы своей конструкции RepRap уже печатает.

RepRap неказист, но так же функционален, как другие домашние 3D-принтеры.

Варианты RepRap можно приобрести у десятков производителей по всему миру (в России их предлагает, в частности, зеленоградское СКБ Кипарис), при ценах, начинающихся примерно от 500 долларов США. Как правило за сумму дешевле 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, оснащённые корпусом, дополнительным программным обеспечением, в общем не требующие применения паяльника и лобзика. Таков, например, нашумевший в этом году 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 дешёвых биоразлагаемых термополимеров ABS и PLA (стоимость на российском рынке примерно 500 рублей за килограмм).

От тысячедолларовых 3D-принтеров отчётливо 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 World Wide Web — которую не знали куда приткнуть до рождения интернет-коммерция и поисковых машин? Так же и с дешёвой трёхмерной печатью. Главная её 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 ребёнка 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. Всё 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 были предложены именно энтузиастами, для которых трёхмерная печать остаётся лишь хобби. Чтобы преодолеть кажущуюся бесполезность необходимо воображение, а бизнес при всём желании этим похвастаться не может. Энтузиасты строят дешёвые принтеры, энтузиасты находят им новые применения, и естественно предположить, что именно они 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, оснащённая 3D-принтерами, теоретически, способна производить сколь угодно большое число модификаций одного продукта, не увеличивая при этом его себестоимость. На такой фабрике исчезает необходимость изготовления для каждого нового варианта продукта новых отливочных форм, установки нового оборудования, корректировки производственного процесса. И совсем не случайно 3D-печать фигурирует в списке новых технологий, стимулировав освоение которых Еврокомиссия надеется реанимировать хиреющее европейское производство в ближайшие годы.

Производство с акцентом на 3D-печать обретает новую форму, для которой даже придуман свой термин — Fab lab (сокращение от «fabrication laboratory», производственной лаборатории). Этот широкий термин предполагает постройку небольшой по размеру и относительно недорогой микрофабрики, оснащённый цифровым оборудованием, так или иначе завязанным на трёхмерную печать. Смысл Fab lab — в способности производить буквально что угодно с применением всех известных материалов. Уже сейчас фаб-лаборатории способны конкурировать с классической лёгкой промышленностью по оперативности, широте охвата материалов и себестоимости. В будущем же, когда даже электронные схемы станет возможным печатать на 3D-принтерах, фаб-лабы и вовсе станут незаменимы. И не думайте, что это лишь прожекты. В середине октября, крупнейший фаб-лаб в США (см. Shapeways.com) открывал лично мэр Нью-Йорка Майкл Блумберг, перерезавший ленточку отпечатанными на 3D-принтере ножницами.

Но вернёмся 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 фабрике возможности кастомизации крайне ограничены: никто не станет, да и вряд ли возможно технически менять производственный процесс по тысяче раз на дню ради прихоти клиентов. Зато 3D-печать 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, ждёт своего покупателя и только после этого попадает к нему домой. Масса времени и энергии тратятся впустую, на транспортировку и хранение товара. 3D-печать позволяет совершить волшебную трансформацию: владея домашним трёхмерным принтером, покупатель просто выбирает из галереи на сайте продавца понравившуюся модель чашки, скачивает содержащий её файл и отправляет на печать (либо пользуется услугами ближайшего фаб-лаба). Реализовать эту схему возможно 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), а 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 консюмера и брэндов. Если одежду, обувь, украшения можно будет печатать «на местах», не сведётся ли роль брэнда к чисто дизайнерской? Впрочем тут мы вступаем в область догадок. А между тем популяризация объёмной печати обещает обществу ещё 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 Соединённых Штатов сумел изготовить на своём 3D-принтере нижнюю часть полуавтоматической винтовки AR-15 — так называемый ресивер, скрепляющий воедино остальные элементы (ствол, спусковой механизм и прочее). После чего провёл пробные стрельбы и показал, что винтовка с отпечатанным низом не только дешевле покупного оригинала, но ещё и надёжней. К слову, именно врождённая невысокая надёжность 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 ещё не оружие. Чтобы получить функциональный огнестрел, необходимы детали, выдерживающие высокое давление и температуру (ствол и пр.), а напечатать их на домашнем 3D-принтере пока ещё невозможно. Однако с точки зрения закона именно ресивер является тем элементом, который превращает набор разрозненных деталей в винтовку. Поэтому юридически наш герой всё-таки произвёл 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 элементы на 3D-принтере сможет каждый желающий, вплоть до ребёнка. Цифровые заготовки свободно доступны в Сети — их рисуют энтузиасты, они просачиваются из недр оружейных вендоров (Remington, Sig-Sauer и другие давно и активно используют трёхмерную печать, по крайней мере для проектирования новых моделей своей продукции). И пусть не в каждой 3D-коллекции такие файлы можно найти, к услугам сетян множество специализированных ресурсов (полюбопытствуйте, например, проектом Wiki Weapons).

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, напряжённость снимает факт невысокой прочности материалов, используемых для 3D-печати дома. Но кто может поручиться, что энтузиасты не придумают новый класс оружия, для которого слабая прочность будет не недостатком, а достоинством (гранаты, мины и т.п.)?

Другая большая проблема (или возможность — это, как всегда, с какой стороны посмотреть), обусловленная популяризацией 3D-печати, получила название «напстеризации реальности». Представьте: вашему ребёнку понравился герой мультфильма или видеоигры. Классическое решение — отправиться в магазин и приобрести игрушку (вероятно, произведённую по лицензии, с соблюдением авторских прав). Но всё меняет трёхмерная печать. Имея в своём 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 достаётся ни копейки. Конечно, файлами тоже можно торговать, но здесь включается уже знакомый механизм пиратства: к примеру, на знаменитом поисковике The Pirate Bay с недавних пор искать можно не только среди фильмов, музыки, программного обеспечения, но и среди так называемых physibles — моделей для 3D-печати.

А ведь трёхмерная 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 материальные объекты. Что само по себе рождает множество вопросов. Наверняка можно декларировать эксклюзивные права на мультипликационный образ. А вот на причёску или макияж? Фасад здания, форму букета?

«Напстеризация реальности» осложняется ещё 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 (возглавляемый бывшим техническим директором Microsoft Натаном Мирвольдом крупнейший на планете патентный тролль).

Задание на дом

Впрочем энтузиастам объёмной печати столкновения с законом и социальными стереотипами 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 — а 3D-печать «деревом», например, пока остаётся мечтой. 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 трёх направлений. К примеру, хрупкий пластик для дешёвых 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 шоколадом и белковыми соединениями (иначе говоря, мясом — в такие разработки вложился, в частности, Питер Тиль), электропроводящими чернилами, живыми клетками (на выходе биопринтера Novogen MMX — живая ткань; до печати целых органов ещё 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 так производить медикаменты на дому).

Пример гениального решения: напечатанный рупор для iPhone. Усиливает звук без батареек.

Самое важное сейчас — побороть в себе пассивного наблюдателя. Не ждать когда цены упадут ниже психологически приемлемых, не ждать когда появятся новые рабочие материалы. Всё это несомненно случится в ближайшем будущем. Конкуренция между вендорами 3D-принтеров уже ощутима, а начавшееся истечение патентов, выданных 3D-изобретателям четверть века назад, подстегнёт 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 поймёте, куда это может привести. Неизведанный континент трёхмерной печати всё ещё ждёт своих пионеров.

3D-печать,Fablab,розница,быт,DRM,копирайт,оружие,3D_Systems,Stratasys,Cubify,RepRap,Fab@Home