Журнал «Вокруг Света» №01 за 2008 год

Фабрика в каждый дом

Сегодня уже никого не удивляют принтеры, воссоздающие на бумаге сколь угодно сложные изображения. Некоторые из них наносят рисунок в несколько слоев. Если развить эту идею и научить печатную головку многократно накладывать друг на друга слои вещества, то изображение станет рельефным. Именно этот принцип лежит в основе 3D-фабрикаторов, иначе — фабберов, устройств, способных по командам компьютера создавать детали почти произвольной формы. А некоторые изделия со сложной внутренней геометрией вообще затруднительно изготовить другим способом

В1984 году американский инженер Чак Халл (Chuck Hull) запатентовал принцип стереолитографии, который сегодня стал самой известной технологией трехмерной печати. Основанный на ней фабрикатор состоит из камеры синтеза, лазерного блока и управляющего компьютера, который по трехмерной цифровой модели объекта строит набор его послойных сечений и управляет механическими узлами устройства. Синтез начинается с того, что камера заполняется жидким светоотверждаемым полимером (вроде тех, что используются для зубных пломб). Под самой поверхностью жидкости, на глубине в доли миллиметра — это толщина первого слоя синтезируемого объекта — располагается стальная платформа-элеватор. Затем лазерный луч сканирует поверхность полимера в соответствии с текущим сечением модели, и жидкость под действием света переходит в твердую фазу. По завершении сканирования первого слоя элеватор немного опускается и лазерное сканирование повторяется. При наличии в геометрии объекта нависающих частей для их поддержки в процессе синтеза создаются тонкие опорные элементы, которые потом удаляются. Сформированный объект обрабатывается мощным ультрафиолетовым излучением для достижения максимальной прочности.

Данная технология реализована в устройствах американской компании 3D Systems. Аналогично работают фабберы японских фирм CMET, D-MEC, Mitsui, Teijin Seiki и германских EOS, Fockele & Schwarze. Обычно так изготавливают модели различного оборудования на стадии разработки дизайна. Но сфера применения фабберов гораздо шире, а эксперты насчитывают более трех десятков различных технологий, лежащих в основе их работы. Большинство из них похожи и порождены в основном для обхода чужих запатентованных решений, но каждая характеризуется своим набором материалов, точностью и быстротой изготовления деталей. Пока трудно сказать, какие из них победят в конкурентной борьбе.

В целом возможности технологии Z Corporation выходят за рамки концептуального моделирования. Например, детали, пропитанные специальной смолой ZR10 (цианоакрилат), могут служить мастер-моделями для литейных форм. А на гипсовые и крахмальные детали можно нанести токопроводящее гальванопокрытие и использовать для отработки конструкции внутрикорпусных антенн сотовых телефонов.

Волшебная нить

Сплавляющее экструдерное осаждение (Fused Deposition Modelling, FDM, дословно: «моделирование распределением расплава»), одна из самых популярных фаббер-технологий, было изобретено в 1989 году Скоттом Крампом (Scott Crump), соучредителем американской компании StrataSys. Пластмассовая, воскообразная или эластомерная нить расходного материала сечением 0,05 миллиметра и более подается в локально разогреваемую область в экструдере (сопле), разжижается, осаждается на поверхность и мгновенно затвердевает. Управляемое компьютером движение экструдера приводит к построчному формированию трехмерного объекта. Для создания нависающих элементов служит второй экструдер, подающий воск для элементов поддержки, которые потом удаляются. Наряду с промышленными устройствами StrataSys выпускает по FDM-технологии 3D-принтеры, способные создавать изделия любого цвета за счет использования нескольких цветных материалов (белого, синего, желтого, черного, красного и зеленого). В 2006 году из трех тысяч 3D-принтеров, проданных в мире, свыше половины были поставлены компанией StrataSys.

Сотворение из порошка

Технология селективного лазерного спекания (Selective Laser Sintering, SLS) отличается от стереолитографии тем, что объект создается не в жидкой, а в порошковой среде. Подвижный картридж насыпает на горизонтальную платформу тонкий слой мелкодисперсного порошка, а мощный лазер сканирует соответствующее сечение объекта, вызывая размягчение и спекание частиц. Затем из картриджа укладывается новый слой порошка. По окончании синтеза незадействованный порошок можно использовать повторно. Достоинство этого метода состоит в том, что для формирования нависающих элементов не нужны поддерживающие элементы, поскольку изделие покоится в порошковой среде.

Метод запатентовал в октябре 1986 года студент-магистрант Техасского университета Карл Декард (Carl Deckard). В своей разработке он отталкивался от предложенного в 1971 году французом Пьером Сиро (Pierre Ciraud) порошкового процесса, в котором частицы постоянно подаются в зону работы лазеров. Первая коммерчески успешная машина Sinterstation 2000, появившаяся в 1992 году, создавала из воска или поликарбоната объекты диаметром до 305 миллиметров и длиной до 410 миллиметров. Современные установки подобного типа используют также поливинилхлорид, нейлон, керамику и даже металл — главное, чтобы вязкость вещества уменьшалась при нагреве. В некоторых моделях вместо лазера применяется тонкий пучок электронов или плазмы.

Модели будущих углеродно-волоконных офисных зданий, изготовленные методом селективного лазерного спекания

Серьезный недостаток лазерного спекания — необходимость вести процесс в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе. В новом комплексе Sinterstation Pro компании 3D Systems, способном создавать детали размером более полуметра (максимум 550х550х750 мм), все процедуры осуществляются автоматически, а необходимый для создания инертной среды азот выделяется из окружающего воздуха. Стоит такая установка свыше миллиона долларов.

Немецкая компания EOS достигла больших успехов в синтезе металлических изделий. Одно из последних достижений — фаббер EOSINT M 270, работающий с порошками бронзы и инструментальной стали. Со скоростью от 7 до 70 см3 в час он формирует из них детали размером до 250х250х215 миллиметров.В планах заявлена работа с пудрой из титановых и хром-кобальтовых сплавов. Погрешность производства не превышает 50 микрон, а шероховатость поверхностей менее 9 микрон. Причем полученные детали имеют прочность на разрыв до 1,1 гигапаскаля — всего вдвое меньше, чем стальные, и на порядок больше, чем у продукции самых первых фабрикаторов. И все же спеканием порошка не достичь прочности монолитного материала. На помощь приходит родственный процесс селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM), продвигаемый на рынок англий

ской компанией MCP Tooling Technologies. В нем металлические частицы полностью расплавляются под воздействием лазерного излучения, что обеспечивает высокую плотность структуры изделий. Расплачиваться за это приходится снижением скорости и точности синтеза. Фабрикатор MCP Realizer формирует за час всего около 10 см3 изделия с шероховатостью поверхности 10–30 микрон. Зато ассортимент материалов включает цинк, бронзу, сталь, титановые и хром-кобальтовые сплавы, золото, а в ближайших планах работа с алюминием и инструментальными сталями.

Рекордных размеров металлические изделия создают установки британской корпорации AeroMet, в которых используется технология аддитивного лазерного изготовления (Laser Additive Manufacturing, LAM). СО2-лазер мощностью 18 киловатт создает на поверхности заготовки локальный участок расплава, куда из отдельного контейнера подается разогретый металлический порошок. В отличие от ранее рассмотренных систем деталь по этой технологии формируется не в толще порошка, а путем постепенного наращивания на горизонтально расположенной платформе. Это позволяет синтезировать объекты размером 3,0х3,0х0,9 метра. Ведутся разработки системы, рассчитанной на габариты 6,0х2,4х2,7 метра. На уникальных установках от AeroMet создаются тонкостенные (до 0,5 миллиметра) крупногабаритные детали из титановых сплавов, рения и тантала для авиационной и космической отраслей промышленности, например сопла и части двигательных гондол.

Нарисуем дом бетоном

Система, изобретенная Берохом Хошневисом (Behrokh Khoshnevis) и развиваемая его компанией Contour Crafting, является типичным фаббером, только в качестве расходного материала в нем используется бетон, а ее назначение — строительство домов. По принципу действия он больше напоминает не принтер, а графопостроитель — «пишущая» бетоном головка раз за разом проходится по контуру стен, наращивая их высоту. Лабораторные прототипы уже работают и сооружают постройки размером до полутора метров со стенами любой формы, хоть кривыми, хоть наклонными. А когда будет создан полномасштабный робот на базе козлового крана, он по праву сможет считаться самым большим фаббером в мире. Занимаются подобными экспериментами и в России. Молодежный научно-технический центр, например, стал выпускать конструкторский набор «Кулибин» на базе координатного сервопривода, который может служить экспериментальным стендом для создания самодельных 3D-принтеров на базе разных материалов. Простейший вариант — использовать размолотые в кофемолке пластиковые отходы, которые спекаются выборочным точечным нагревом, например, с помощью паяльного фена. Эпоксидно-песчаный вариант использует послойную насыпку мелкого песка, на который дозированно подается разогретая эпоксидная смола. Аналогично работает суперклеевой, термоклеевой, жидкостеклянный и другие варианты фаббера. Позволяет конструктор создать и небольшой бетонный 3D-принтер, который смешивает мелко просеянный песок с цементом в пропорции примерно 3:1, а на слои этой смеси по команде с компьютера наносятся капли воды с добавлением «жидкого стекла». Создатели конструктора отмечают необходимость правильного сочетания материалов. Например, соль замечательно взаимодействует с суперклеем, а вот цемент с эпоксидкой — плохо.

С помощью фабберов можно создавать детали сложной формы — такие проблематично произвести на основе других технологий

Трехмерные принтеры

Но не стоит думать, что фабберы — это сугубо промышленное оборудование. Эти устройства отчетливо делятся на два класса. К первому, называемому иногда Rapid Manufacturing (системы быстрого производства), относят дорогие промышленные машины, о которых мы рассказали выше. Другой класс — Rapid Prototyping (системы быстрого прототипирования) — это небольшие, иногда настольные приборы, используемые в проектных отделах фирм для отработки дизайна и проведения моделирования в ходе конструкторских работ. Может такой цветной трехмерный принтер служить и другим задачам: создавать трехмерные модели молекул или медицинских имплантатов, строить наглядные представления результатов анализа механических и тепловых напряжений, и др. Специалисты уже считают подобные устройства стандартным инструментом в процессе разработки и совершенствования серийных промышленных изделий. Они позволяют в несколько раз сократить время и расходы на проектирование типичных бытовых приборов.

Наиболее активна на рынке устройств быстрого прототипирования американская Z Corporation. Ее 3D-принтеры вместо металла и лазеров оперируют нетоксичными порошковыми материалами на основе крахмала или гипса и водным связующим веществом. Узел печати разравнивает слой порошка толщиной от 0,076 до 0,254 миллиметра в зависимости от требуемой точности изготовления, а четыре 300-струйные печатающие головки (всего 1 200 форсунок) в соответствии с формой слоя наносят связующее вещество, склеивая частицы порошка друг с другом. Затем распределяется новый слой порошка, и процесс повторяется, пока деталь не будет напечатана полностью, после чего ее для повышения прочности и улучшения внешнего вида пропитывают воском, эпоксидной смолой, полиуретаном или различными клеевыми составами. Готовые изделия можно шлифовать, красить, сверлить. Z Corporation разработала даже специальный материал, позволяющий делать модели эластичными, как резина. Это сразу же заинтересовало предприятия, выпускающие обувь, гибкие трубы и другую эластомерную продукцию.

Последнее достижение Z Corporation — цветной трехмерный принтер Z450 размером с большой холодильник и весом 193 килограмма, который строит модели со скоростью 2—4 слоя в минуту, так что на изделие максимального размера 203х254х204 миллиметра уходит один рабочий день. Разрешение печати при этом составляет 300х450 точек на дюйм.

Рукоятка для дисковой пилы, изготовленная фаббером, может сразу использоваться в готовом изделии

Логистика будущего

Вообще разработка и потребительских товаров, и электроники уже несколько лет остается основной сферой применения фабберных систем. Об этом говорится в отчете исследовательской фирмы Wohlers Associates, которая в 2007 году обобщила данные о нескольких тысячах компаний, использующих фабрикаторы. Далее в порядке массовости применения следуют автомобильная и аэрокосмическая промышленность, медицина, производство вооружений и военной техники, индустриальное машиностроение.

Уже сегодня практически все сложные технические системы, создаваемые за рубежом, содержат комплектующие, выполненные по фабберной технологии. Например, в составе американского истребителя F-18 насчитывается более 80 деталей, изготовляемых фабрикаторами, а в процессе создания Международной космической станции их использовано более двухсот. Технология фабберов постоянно совершенствуется, в ней следует ожидать значительных прорывов, которые обеспечат появление изделий с принципиально новыми свойствами, а со временем их доля в объеме всей промышленной продукции может стать доминирующей.

Большое будущее ждет фабберные технологии и в рознично-офисном секторе. Это в первую очередь системы для мелкосерийного или штучного производства потребительских товаров в специализированных сервисных бюро. Речь может идти об изготовлении игрушек, наглядных пособий, бытовой, канцелярской и медицинской утвари, электронных устройств, запчастей к автомобилям и бытовой технике, бижутерии, сувениров, включая клонирование уникальных музейных экспонатов и антиквариата и т. п. Покупателям будущего не придется тратить время на блуждание по магазинам в поисках нужной вещи, достаточно будет через Интернет обратиться к услугам ближайшего сервисного бюро. С массовым выходом на такой уровень развития фабберные технологии получат невиданный расцвет — во многих секторах промышленности будут забыты кризисы перепроизводства, необходимость складирования готовой продукции, сильно упрощена логистика.

В пользу реалистичности описанного сценария говорит серьезная заинтересованность оборонных ведомств ряда стран в развитии подобных фабберных систем, которые могут существенно упростить тыловое обеспечение войск. Особенно активно финансируются эти исследования Военноморским флотом США, чье руководство рассматривает фабберы как важный фактор военной логистики будущего. Склад на авианосце занимает помещение размером этак с половину футбольного поля. Добрая половина его содержимого — это разного рода запчасти, которые могут понадобиться для ремонта в походе. Было бы куда эффективнее заменить их несколькими фабберами и контейнерами с разнообразным порошковым сырьем.

И уж вовсе незаменимым средством должны стать фабберы в космических полетах, особенно при создании лунных баз и освоении Марса. Ведь они позволят сэкономить не только место на корабле, но и самый дефицитный ресурс — массу полезной нагрузки (ведь материал для производства можно и на месте найти).

Напечатай себе помощника

По прогнозам экспертов NASA и Агентства перспективных оборонных исследований DARPA, уже через неcколько лет некоторые виды роботов будут массово изготавливаться на 3D-принтерах. Открытие электропроводных полимеров позволило заложить основы нового направления в науке и технике — флексоники, занимающейся проблемами производства гибких микросхем, печатных плат, а также микроэлектромеханических систем (МЭМС), напечатанных на трехмерных принтерах. Основным результатом развития флексоники можно считать то, что практически все используемые в робототехнике компоненты, кроме процессоров, ныне уже доступны для 3D-печати. Это OLED-дисплеи, идентификационные RFID-чипы, искусственные мускулы, электронные компоненты, сухие печатные аккумуляторные батареи. На подходах фабрикация солнечных батарей, призванных обеспечить автономность и энергонезависимость «печатных роботов».

Фабрикаторы помогают математикам воочию представить форму сложных геометрических объектов

Наиболее радикальный прогноз развития фабберов — это их превращение в персональные надомные «фабрики», использующие универсальные материалы для надомного изготовления различных бытовых предметов. Их появление вообще может почти полностью «похоронить» массовое производство, со всеми его проблемами и недостатками. Ключевым фактором должно стать радикальное снижение стоимости как самих фабрикаторов, так и расходных материалов, расширение их спектра, устранение токсичности побочных продуктов и, наконец, создание насыщенного и дешевого рынка виртуальных моделей. Многие необходимые для этого технологии уже находятся на стадии ограниченного коммерческого использования, другие только разрабатываются. Однако есть все основания полагать, что уже в ближайшие десятилетия производство большинства необходимых предметов быта удастся реализовать в домашних условиях по моделям, загруженным из глобальной сети, прообразом которой ныне является Интернет.

Общая тенденция развития фабберных технологий состоит в максимальном расширении сферы их применения: от синтеза живых тканей и выращивания искусственных органов до послойного наносинтеза изделий микроэлектроники и даже строительства зданий и сооружений. Фабберный этап в развитии средств производства может в корне изменить наши представления о производстве и доставке вещей, открывая путь к гармонизации стандартов потребления и достижению многовековой мечты человечества об обществе изобилия.

Вадим Слюсар