В.А. Коноваленко
Трёхмерные принтеры и технологии
    По определению изобретатель – человек, говоря громкими словами, стоящий на острие прогресса, опережающий своё время. Эта позиция требует от изобретателя достаточно полного представления о современном состоянии не только техники, но и технологии. Ранее это не представляло особых трудностей: изобретатель-фанатик (а настоящий изобретатель всегда фанатик), голова которого круглосуточно занята поиском решения задачи, всё-таки успевал «в свободное от основных занятий время» знакомиться с уже известными миру решениями и существующими технологиями. Теперь не так – за время становления изобретателя технологии успевают смениться несколько раз.
        Давно ставший трюизмом тезис – «генералы готовятся к прошлой войне» – увы, как оказалось, стал вполне применим к инженерам. В прежние времена (например, когда перед паровозом шёл человек с флажком), технологии, с которыми инженер знакомился в вузе, работали в течение всей его жизни. К середине прошлого века ситуация сильно изменилась. Технический прогресс настолько ускорился, что периодическое (скажем, раз в пять лет) повышение квалификации стало необходимой нормой. Ныне же и этого явно мало – инженер должен повышать квалификацию непрерывно.
        Иначе можно получать ляпы, подобные тем, которые уже есть в «последнем писке моды автомобилестроения» – гибридных автомобилях. Его схема понятна – мотор-генератор, аккумулятор с форсажным конденсатором и электропривод на колёса.

Схема полноприводной трансмиссии  е-4WD гибридного автомобиля
        Но вот тут-то и начинаются чудеса: электропривод состоит из одного электромотора, к которому пристроен многошестерёнчатый блок раздачи мощности на колёса, с дифференциалом и демультипликатором! Хотя ещё Фердинанд Порше, хорошо зная электротехнику и особенности работы электромоторов, применил в самоходках своего имени в сороковых годах прошлого века отдельный электропривод на каждое ведущее колесо.
        Он понимал, что во всех этих шестерёнках нет необходимости при установке двух электродвигателей – по одному на колесо! Всё дело в том, что ЭДС индукции, наводимая в обмотках электродвигателя пропорциональна скорости вращения, поэтому при общем токе (последовательное соединение) бо'льшее напряжение (и мощность) приходится на долю «быстрого» двигателя, а при общем напряжении (параллельное соединение) бо'льший ток течёт через «медленный». Вместо сцепления-расцепления шестерёнок достаточно простого переключения проводов! Сейчас об этом благополучно забыли: инженеры-механики, конечно, в вузе «проходят электричество», а точнее, проходят «рядом с ним»... «А кадры решают всё!»
       К примеру, сейчас много говорят о недостатке рабочих кадров и их опережающей подготовке. Но ещё перед «перестройкой» кадровая структура существенно менялась: если в 50-е годы на одного инженера требовалось 5 рабочих, то уже к 80-м годам на передовых предприятиях на 5 инженеров был нужен 1 рабочий высокой квалификации. Более того, уже тогда существовали полностью автоматизированные производства, требовавшие только контроля и переналадки при смене изделий, то есть нуждавшиеся всего в двух-трёх специалистах.
        С того времени немало воды утекло, а развитие технологий пошло ещё быстрее. Уже никому не нужны чертёжники – их блестяще заменяют компьютеры, изменился труд конструктора – ему уже не нужно заниматься деталировкой, всё сделает программа, которой только нужно задать, что именно делать.
        Меняется не только форма, но и содержание конструкторского труда. Очень скоро, притом гораздо быстрее, чем мы это себе представляем, ДВС станут таким же анахронизмом, как сейчас паровозы – их заменят топливные элементы, следовательно, уйдёт в небытие целый класс трансмиссий, всевозможных редукторов, коробок передач, карданных валов и т.п. ...
        Предлагаемый вниманию читателя доклад, разумеется, не может охватить всех этих перемен. Он посвящён всего лишь одной узкой теме – трёхмерной печати всевозможных изделий, да и то лишь в виде беглого обзора. История трёхмерной печати (если промежуток в несколько лет заслуживает названия истории) целиком умещается в 21-м веке. Первые трёхмерные принтеры, устроенные примерно так же, как и обычные двумерные струйные, и отличавшиеся от них добавлением перемещения по третьей координате, «брызгали» расплавленным пластиком и последовательно, слой за слоем, создавали объёмное изделие в соответствие с его цифровым объёмным изображением. Как всегда, первым применением новинки стали детские игрушки.
        Но, как это опять-таки всегда бывает с плодотворной идеей, сразу же многим и во многих местах пришли в голову всевозможные составы «катриджей-чернил» и способы их сушки. Например, можно «брызгать» двумя компонентами, которые при соприкосновении полимеризуются, можно «брызгать» металлической суспензией, которую «сушит» лазер и он же спекает металлический порошок в монолит, наконец, можно «брызгать» бетоном... Все упомянутые «чернила» уже нашли практическое применение. Далее приведу некоторые примеры:
        1. Пистолет «Аргумент». Американская компания Solid Concepts «напечатала» пистолет калибра 10 мм «Reason» («Аргумент»), в основе которого лежал армейский Colt 1911. На этом изделии фирма демонстрировала высокую детализацию «печати» мелких элементов. В частности, на стволе «Аргумента» «выгравировано» вступление к Декларации независимости США. Печать выполнена по технологии прямого металлического лазерного спекания.

«Аргумент». Фото: Solid Concepts
        При прямом металлическом лазерном спеканииDMLSметаллический порошок (нержавеющая сталь 17-4PH и 17-5PH, инконель 625 и 718) расплавляется в однородную структуру. «Печать» осуществляется послойно, причём толщина каждого слоя составляет около 20 микрон. Изготовленные таким методом детали не требуют дополнительной механической обработки. Технология «печатает» любые металлические элементы.

Серийный 1911 DMLS. Фото: Solid Concepts
        В ноябре 2013 года первый в мире «напечатанный» металлический пистолетпрактически точную копию армейского Colt 1911Solid Concepts представила для испытаний. Оружие, получившее название 1911 DMLS, было выполнено в калибре 45 ACP. Пистолет «напечатан» из порошка нержавеющей стали марки 17-4PH и инконеля марки 625. Испытания оружия оказались удачными. Из пистолета было выполнено более пяти тысяч выстрелов. Вскоре  на продажу было выставлено сто пистолетов 1911 DMLS по 11,9 тысячи долларов за штуку.
        2. На МКС напечатали гаечный ключ. На Международной космической станции на 3D-принтере напечатали гаечный ключ. 3D-принтер на МКС попал в сентябре 2014 года, 17 ноября была завершена его установка, а с 25 ноября началась пробная печать, в процессе которой напечатана лицевая панель экструдера печатающей головки самого принтера. Пластина из белой пластмассы размером 7,6 на 3,8 сантиметра стала первой деталью, созданной за пределами Земли. Чертёж торцевого ключа на МКС отправили по электронной почте с Земли по просьбе астронавта Барри Уилмора. Как сообщают космические путешественники, ранее им приходилось ждать до месяца перед тем, как они могли получить нужные им инструменты.
        3. На 3D-принтере впервые напечатан реактивный двигатель. Австралийские исследователи из Университета Монаша первыми в мире напечатали на 3D-принтере действующий реактивный двигатель. Университет и его дочерняя компания Amaero заключили контракт с французским авиакосмическим гигантом Safran, и тот предоставил им вспомогательную силовую установку (газотурбинный двигатель), который используется на частных реактивных самолетахпрежде всего на Dassault Falcon 20.

Установка Dassault Falcon 20, напечатанная 3D-принтером. Фото: MCAM
        Конструкция двигателя была разработана ещё в 1960-х годах, поэтому отсутствовали чертежи в электронном виде. Исследователи из Центра аддитивной технологии при университете потратили несколько месяцев на изучение внутреннего устройства двигателя и сканирование деталей, лишь потом приступили к печати. Весь проект занял год, при этом для печати двигателя понадобилось всего 30 дней. Изготовлено два экземпляра двигателя. Один из них выставлен на Международном австралийском авиашоу в Мельбурне, а другойв Тулузе.
        4. 3D-принтеры оказались удобными для создания протезов.  Современная медицина позволяет значительно уменьшить срок хождения с тяжёлым гипсом, заменяя его на более поздних сроках накладками или пластиковыми бинтами, а 3D-принтеры могут создавать ортезы индивидуально под руку пациента, как по форме, так и по цвету.

«Печатный» ортез
        Поскольку материал, которым способны печатать принтеры, не ограничивается пластиком, то с помощью добавок можно получить токопроводящие элементы, а значит создавать на принтерах антенны и даже целые микросхемы. Это позволяет печатать и саму конструкцию протеза, и микросхему для управляющей программы.

«Печатный» протез кисти руки
        После черепно-мозговых травм иногда возникает необходимость в воссоздании черепа. Принтеры позволяют сделать конструкцию, повторяющую его естественную форму. В качестве материалов может использоваться как пластик, так и соединения с использованием титана. С помощью современных  3D-принтеров уже научились заменять хрящевую ткань, которую покрывают материалами, не вызывающими отторжения организмом. Получаются носы, уши и даже челюсти. Бельгийская компания Materialise создала модель головы, все детали которой напечатаны на 3D-принтере без дальнейшей доработки.
        В течение десятка лет может быть решена проблема с донорством органов. Несколько компаний, среди которых российская 3D Bioprinting Solutions, разрабатывают  объёмные принтеры для печати органов. Уже в этом году планируется напечатать щитовидную железу, а через несколько лет ещё и печень. Задача-максимумнаучиться создавать все органы, но чем больше в них входит разнообразных типов клеток, тем сложнее их воспроизвести. Проблема отторжения органов будет решена за счёт использования нейтральных биологических материалов и собственных клеток пациента.
        5. Печать жилых домов. В промышленном парке в китайской провинции Цзянсу (Jiangsu) открылась выставка жилых домов, созданных с помощью 3D-принтера. Одно из зданийвысотой в пять этажей. Дома создаются с помощью принтера, позволяющего изготавливать объекты высотой 6,4 м, шириной 9,75 м и длиной 152,4 м. В качестве материала для печати используется смесь вторичных строительных отходов, стекла, стали и цемента. Первые подобные объекты созданы в марте 2014 года компанией Shanghai WinSun Decoration Design Engineering Co. С помощью гигантского принтера она изготовила десять одинаковых зданий из бетона.

«Печатные» дома. Фото: Imaginechina / REX
        Себестоимость каждого здания 3,1 тысячи фунтов стерлингов. Но среди экземпляров, представленных на выставке, самые малогабаритные продаются по цене около 100 тысяч фунтов стерлингов. Генеральный директор компании Winsun Ма И'Хэ (Ma Yi He) объяснил, что один такой дом делается за сутки. Ниже на фото показан коттедж, особенность которого «печать» как самой конструкции, так и внутренней отделки.

Коттедж из перерабатываемых материалов. Напечатаны и сам коттедж, и его внутренняя отделка.
        А изобретатель из США Андрей Руденко обещает, что его принтер сможет «печатать» дома не только на ровной поверхности, но и на склонах и прочих неровностях. Есть и проект принтера со сменными «чернилами», который готов печатать дома «под ключ» не только стены, но и проводку вместе с сантехникой.
        6. Телепортация предметов. И, наконец, совсем экзотика в духе фантастических романов: в немецком Институте Хассо Платтнера представлен опытный образец прибора, способного телепортировать предметы на расстояние с помощью 3D-печати. Устройство назвали «Скотти» в честь оператора из сериала «Звёздный путь». Принцип работы системы очень прост: первый 3D-принтер Makerbot Replicator послойно оцифровывает объект с помощью фотокамеры (фрезерный станок внутри принтера срезает каждый слой оригинала после отправки снимка на второй принтер), посылает зашифрованный снимок второму принтеру, который и распечатывает предмет.
        От пользователя требуется только поместить объект в систему, выбрать получателя и нажать кнопку «переместить». Авторы подчеркивают, что цель их проекта сохранение уникальности вещей. Уничтожение объектов, которыми друзья обмениваются между собою, увеличивает их эмоциональную ценность.
        Однако главной технологической задачей системы является борьба с пиратством. Развитие 3D-печати приводит к тому, что схемы изготовления объектов могут нелегально распространяться, а вещи тиражироваться. Уничтожение оригинала гарантирует, что вещь продавца исчезает одновременно с попаданием к покупателю.
        Возможности опытного образца пока ограничены. «Скотти» работает только с пластмассой, причём выкрашенной в чёрный цвет (для увеличения контрастности). Однако, лиха беда начало. Прогресс в сфере 3D-печати должен расширить ассортимент предметов, пригодных для такого рода телепортации.
        Заключение. Вот что говорит о 3D-печати директор по промышленным решениям компании КРОК Вячеслав Максимов: «Сейчас в России наблюдается резкий подъём интереса к 3D-печати. Пока речь не идёт о таких масштабных проектах, как строительство дома. Но в других сферах от промышленности и авиакосмической отрасли до медицины 3D-печать давно нашла свою нишу благодаря возможности быстро и дёшево создавать прочные детали по индивидуальному заказу и с высокой точностью (до 50 микрон)».
        К сожалению, оговорка Максимова о строительстве существенна. Пока российские строители спорят, что прогрессивнее: панельное или монолитное строительство, что лучше – пеноблоки, кирпич или дерево, разработкой технологии 3D-строительства занимаются и в Европе, и в Америке, и в Китае, где за 24 часа «напечатали» десять домов площадью 200 квадратных метров каждый по цене около пяти тысяч долларов за штуку и получили большой заказ (на 20 тысяч одноэтажных домов) от правительства Египта.
        Увы, но 3D-печать у наших участников строительного рынка особого энтузиазма не вызывает. Прежде всего, стандартная ссылка на климат: «Россия в силу невысокого общего по стране уровня обеспеченности граждан квартирами и домами, безусловно, нуждается в технологиях, способных дать доступное по цене и одновременно с этим качественное жилье. Оно должно прослужить не одно десятилетие в условиях довольно сурового климата долгой зимы, межсезонья, дождей. Будут ли дома, построенные по технологии 3D соответствовать данным условиям один из самых важных вопросов», считает коммерческий директор ФСК «Лидер» Григорий Алтухов.
        «Возможно, именно погодные условия станут главным камнем преткновения применительно к использованию технологии в нашей стране, поскольку на большей части территорий климат, особенно в осенне-зимний период, весьма и весьма суровый. Однозначно это потребует дополнительных затрат на утепление дома, придётся заниматься комбинированием материалов, чтобы жилище не развалилось после первого же бурана. Потому как на первый взгляд 3D-дома производят впечатление если не “карточных домиков”, то каких-то облегчённых, летних вариантов», дополняет директор по маркетингу TEKTA GROUP Вартан Погосян.
        Есть, правда, и другие мнения: гендиректор бюро элитной недвижимости Must Have Елизавета Некрасова считает: «В России, где до сих пор ощущается острая нехватка качественных и доступных по цене домов, такие технологии, как 3D-строительство, жизненно необходимы. Быстрая, экологичная, лёгкая в управлении и сравнительно недорогая технология могла бы произвести революцию в строительстве эконом-класса».
        Но ... вот что говорит соучредитель архитектурного бюро UNK project Юлий Борисов: «В России настолько сложная система сертификации строительных материалов, а также строгие строительные нормы, что на внедрение и подтверждение соответствия стандартам качества оборудования и материалов может уйти не один месяц и не один миллион рублей. Это касается не только таких “необкатанных” технологий, как 3D-печать зданий, но даже тех, которые хорошо себя зарекомендовали и успешно используются на Западе», ... 3D-технология пока не позволяет обеспечить гарантированное качество конструктивных элементов здания, то есть важные несущие элементы конструкции не обладают гомогенной, однородной структурой, а это ставит под сомнение прочность строения ... Традиционный способ возведения конструкций из бетона с помощью опалубки проще, быстрее и, на данный момент, дешевле. Как экспериментальное строительство 3D-принтинг домов интересен, но о массовом использовании пока говорить рано ... Как только метод 3D-печати зданий будет до конца отработан, то его, безусловно, можно будет адаптировать для российского рынка, отечественные производители смогут собрать собственное оборудование, если эта технология докажет свою безопасность и эффективность»...
        Правда, за это время мир уйдёт далеко вперёд, но нам привычно «догонять и перегонять». К тому же, хотя принтер по своему устройству несложен, по стоимости и агрегат, и сырьёа значит, и сам дом всё же будут значительно отличаться от китайских цен (в том числе, благодаря отработанной к тому времени новой системе сертификации и новой технологии откатов).
        «Себестоимость, которая раскрывается 3D-строителями, выглядит очень привлекательной. Но я не уверен, что она отражает все понесённые затраты, отмечает Вартан Погосян. Допустим, применение этой технологии позволит сэкономить на рабочей силе, но материалы никуда не денутся, отделка, коммуникации тоже. По сути, нам предлагают изготовление конструктивной части, а всё остальное те же рабочие руки. Плюс, повторюсь, неизвестно, сколько денег потрачено на разработку и обслуживание технологии. Так что конечная цена может нас удивить».
        Наши строители сомневаются и в доступности 3D-жилья: «По нашим представлениям, небольшой дом на одну семью может стоить около пяти тысяч долларов конечно, цена не очень высокая. Но в эту стоимость, очевидно, не входит ни фундамент, ни инженерные коммуникации. То есть это коробка. Непонятно, есть ли в этой цене кровельные покрытия, отделочные материалы, стекло».
        Звучит этакий «ценовой скепсис»: «Средняя себестоимость производимого таким способом жилья, оценивается в 1700-2000 рублей за метр, но в существующем виде технология пригодна лишь для простых одноэтажных конструкций. Если речь о возведении крупных комплексов, нужна существенная доработка, и пока сложно оценить, какая будет реальная стоимость».
        Вот что думают о 3D-жилье наши строители. И непонятно, чего же здесь больше, заботы о качестве постройки или о собственных доходах ...

В оглавление