Николай Дятлов: Мир в трехмерной печати

Николай Дятлов Игорь Агамирзян на открытии первой в России сертифицированной лаборатории персонального цифрового производства — ФАБЛАБ МИСиС. Фото РВК

В рамках недели дизайна в Милане, на выставке Hacked 19 апреля 2012 года человек сразился с принтером. На этот раз — не умом, а ловкостью рук. Изобретатель, дизайнер и визионер Доминик Уилкокс вступил в единоборство с 3D-принтером Thing-O-Matic под управлением итальянской IT-команды Wefab. Уилкокс и принтер по кличке Розовый Гигант (Deep Pink, по аналогии со знаменитым супер-компьютером Deep Blue, обыгравшем в 1997 году Гарри Каспарова) в течение полутора часов делали модель Миланского собора: человек лепил из глины, принтер — отливал из АБС-пластика по подготовленной заранее компьютерной модели. В этот раз победу присудили человеку, но команда инженеров уже готовит Deep Pink к матчу-реваншу.

3D-принтер — это контролируемое компьютером устройство, которое может создавать объемные предметы с помощью отливки тонких слоев материала (обычно пластика) по заранее заданной 3D-модели. Главное отличие 3D-принтера от классического производственного станка заключается в том, что происходит не удаление «лишнего» материала, пока не получится необходимый предмет, а постепенное наращивание материала слой за слоем. «Чертежами» для 3D-принтера в большинстве случаев служат обычные 3D CAD модели, которые программное обеспечение принтера «разрезает» на слои.

Первым технологию трёхмерной печати под названием «cтереолитография» запатентовал изобретатель Чарльз Халл в 1986 году. Для создания объектов с помощью стереолитографии используется фотополимезирующийся раствор, который прицельно обрабатывают ультрафиолетовым лазером. Под воздействием лазера раствор затвердевает, полученный слой опускается в раствор, затем затвердевает следующий слой, и так далее. Первая общедоступная стереолитографическая машина появилась уже в 1988 году, и технология используется до сих пор. Для ускорения производства могут использоваться шаблоны, через которые фотополимер обрабатывается не лазером, а большим световым пучком.

В том же году была запатентована технология наплавления (Fused Deposition Modelling). FDM-устройства используют плавкие материалы — в основном АБС-пластик (Акрилонитрилбутадиенстирол), — которые подаются в движущуюся головку устройства и через неё выдавливаются, создавая слои будущего объекта. Обычно головка движется по осям X и Y, а рабочая поверхность — по оси Z. Главное преимущество этой системы — дешевизна и простота. Именно моделирования методом наплавления используется в домашних 3D-принтерах, например Thing-O-Matic Нью-Йоркской компании Makerbot Industires, с которым и соревновался Доминик Уилкокс. Thing-O-Matic ориентирован на домашнее использование и продается за 1000-1500 долларов в виде комплекта для сборки с минимальной необходимостью пайки. Материалом для него служит АБС-пластик, который стоит в среднем 20-40 долларов за килограмм. Недостатком этого метода является сложность создания «висячих» деталей (например, арок или пустот), так как материал поступает в расплавленном состоянии. Эта проблема решается использованием второй головки, подающей «вспомогательный» материал, который в последствии удаляется. Кроме того, у этого метода меньшая разрешающая способность: толщина слоя расплавленного пластика - 0.2-0.3 мм против доступных с помощью стереолитографии 0.016 мм.

В промышленности, где расходы на материалы и стоимость оборудования не так важны, как в «домашнем» использовании, а разрешающая способность и возможность создавать «висячие» структуры необходима, широко используют методы выборочного лазерного спекания и ламинирования. Принтеры, работающие на принципе лазерного спекания (Selective Laser Sintering) впервые появились в 1989 году. Они используют порошковые материалы — пластики или металлы — которые насыпаются ровным слоем и спекаются направленным лучом лазера. Когда один слой готов, насыпается следующий, равняется валиком, и снова спекается. Преимущество этого метода в том, то висячие структуры поддерживаются лежащим под ними порошком. Благодаря этому возможно даже создание шарниров и цепных соединений. Кроме того, метод лазерного спекания позволяет использовать высокотехнологичные материалы (например, титановый порошок) , затем брать полученные объекты не только как прототипы, но и как конечные продукты. Главный недостаток таких систем — высокая стоимость и сложность оборудования и материалов.

Лазерное ламинирование (Laminated Object Manufacturing) — это уже скорее даже не «печать», а конструирование. В этой технологии используются уже готовые тонкие листы материала, из которых вырезаются слои и склеиваются друг с другом. У лазерного ламинирования меньшая разрешающая способность, чем у стереолитографии или лазерного спекания, но зато материалы сравнительно недороги и позволяют производить довольно большие модели, так как нет необходимости в поддержании определенной температуры или газовой среды, как для порошкового спекания.

Технологии трёхмерной печати сейчас очень востребованы и активно развиваются. Одна из основных сфер применения 3D-принтеров — быстрое прототипирование. Трехмерная печать позволяет в очень короткое время создать прототип необходимой детали, используя простую компьютерную модель. Полученный прототип можно доработать и снова напечатать, не затрачивая значительное время и ресурсы на программирование производственной линии.

Другое важное применения 3D-печати — создание медицинских протезов. Уже сейчас 3D-принтеры широко применяются для создания зубных протезов, однако есть и более сложные эксперименты: например, в этом году группа медиков из Бельгии и Нидерландов имплантировала пожилой женщине протез нижней челюсти, созданный из титанового порошка методом лазерного спекания, и он успешно прижился. В перспективах медицинской 3D-печати — создание органических тканей или даже целых органов.

В то время как промышленные 3D-принтеры активно используются уже больше двадцати лет, «любительские» появились недавно, но обретают большую популярность. В отличие от профессиональных принтеров, которые могут стоить десятки и сотни тысяч долларов, стоимость домашних систем — несколько тысяч долларов. Одна из самых популярных систем RepRap была создана в 2005 году, работает по системе наплавления, и имеет разработкой с общедоступными наработками и открытым исходным кодом — то есть любой желающий может воспользоваться чертежами, инструкциями и программным обеспечением для создания собственного принтера RepRap. В данный момент существует уже третье поколение этих 3D-принтеров. Важной характеристикой RepRap является возможность самовоспроизводства. Идеальная RepRap машина должна иметь возможность создать все необходимые детали для сборки собственной копии. Уже сейчас многие детали возможно «распечатать» на самой RepRap.

Makerbot Industries не ставит себе таких целей, зато принтер этой фирмы вполне доступен для домашнего использования и, в отличие от ReRap, не требует серьезных технических навыков.

Рынок домашних 3D-принтеров сейчас быстро растёт, а стоимость машин — падает. Яркий пример интереса пользователей к трёхмерной печати — проект Printrbot, собравший на Kickstarter, платформе для краудфандинга (коллективного сбора средств) 830 тысяч долларов вместо 25 тысяч, заявленных как необходимые для старта проекта. Первые Printrbot уже отправляются заказчикам по цене от 550 долларов. 30 тысяч долларов на Kickstarter набрал проект Filabot — миниатюрный домашний заводик по переработке пластиковых отходов и ненужных моделей в пластиковую нить для 3D-принтеров.

Есть похожие проекты и в России. 20 апреля 2012 года В Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» открылся совместный проект ОАО «РВК» и НИТУ «МИСиС» - первая в России сертифицированная лаборатория персонального цифрового производства — ФАБЛАБ МИСиС (Fab Lab). Создание и запуск Fab Lab стало возможным благодаря объединению усилий НИТУ «МИСиС», ОАО «РВК», Массачусетского технологического института (MIT) и Правительства Москвы.

Лаборатория будет осуществлять как коммерческую, так и некоммерческую деятельность. В рамках коммерческого направления лаборатория предоставит услуги по пилотному апробированию коммерческих проектов производства новых продуктов – от компьютерного проектирования продукта до изготовления функциональных прототипов; проектирования и изготовление технологической оснастки для серийного производства. Некоммерческое направление лаборатории предполагает безвозмездное предоставление технологической площадки для пилотной реализации проектов старших школьников, изобретателей и студентов.

Участие MIT в этом проекте не случайно: сейчас там разрабатывают десятимиллионный грант от Национального научного фонда США на создание лаборатории по производству роботов: они будут печататься на 3D-принтерах, там же программироваться, калиброваться, и производить других роботов. Уже сейчас «напечатано» несколько прототипов. Цель этого проекта — сделать производство роботов более быстрым и доступным, ведь, помимо программирования, серьезное препятствие для создания любительских роботов — отсутствие необходимых деталей, а с помощью трёхмерной печати можно будет воплощать в жизнь любые проекты.

Доступные принтеры вкупе с компактными устройствами для переработки и трёхмерными сканерами могут сильно изменить рынок потребительских товаров. Если будет разработан способ удешевить трёхмерную печать из металла, то для домашнего пользователя сфера применения 3D-принтера уже не будет ограничиваться моделями, бижутерией или деталями для прототипов: человек сможет дома производить, например, вилки, сменные корпуса для телефона или запчасти для автомобиля. Конечно, такие принтеры в домашних условиях — пока вопрос будущего. Но можно предположить, что в ближайшие пять лет мы будем наблюдать «бум» домашних 3D-принтеров, «печатающих» с помощью пластика, в том числе переработанного, они перестанут быть хобби для технически подкованных энтузиастов и будут доступны для среднего потребителя.