Только без рук

Сегодня 3D-печать — это технология, которая способна менять целые отрасли. И пока коронавирус ставит на паузу работу предприятий и обрывает прежние цепи снабжения, трехмерная печать позволяет изготавливать необходимые вещи дешевле, чем когда бы то ни было. Кто и каким образом использует 3D-принтеры? N + 1 вместе с Formlabs выбрали 5 профессий, для которых 3D-печать уже давно стала обычным делом.

Просто космос

Широкое применение аддитивных технологий, которые год от года становятся не только совершеннее, но и доступнее, открыло новые возможности для самых разных отраслей: от производственной промышленности до освоения космоса.

Компания Relativity Space намерена почти целиком напечатать ракету (95 процентов деталей) на металлическом 3D-принтере Stargate размером с дом и запустить ее на орбиту. В долгосрочной перспективе печать ракет компания планирует перенести на Марс.

На Земле аддитивные технологии уже сейчас применяются, чтобы печатать человеческие органы, создавать уникальные протезы и за сутки выращивать здание в натуральную величину.

В штате Табаско (Мексика) таким образом возводится целая деревня. Это первый в мире жилой массив, целиком напечатанный на 3D-принтере: ICON Vulcan II позволяет распечатать дом целиком, прямо на строительной площадке — рабочим остается только установить перекрытия, окна и двери. Деревня с доступным жильем создается для малоимущих жителей района и тех, кто лишился крова из-за землетрясений или наводнений.

Распечатанные здания можно встретить в Китае, США, Саудовской Аравии, Франции, России, ОАЭ и других странах. Речь идет не только о небольших помещениях и доступном жилье. Проект стартапера из Иркутска Никиты Чен-Юн-Тая попал в Книгу рекордов Гиннесса: по заказу властей Дубая он напечатал на 3D-принтере уникальный дом площадью более 600 квадратных метров.

Технологии 3D-печати находят применение в медицине, ювелирной отрасли, машиностроении, авиации и продуктовом дизайне. Более того, для многих компаний аддитивные технологии из дополнительной опции стали неотъемлемой частью производственного процесса.

В 2018 году компания Sculpteo, специализирующаяся на 3D-печати, провела опрос среди владельцев и руководителей компаний из сектора потребительского рынка, промышленных товаров и высоких технологий. В результате 93 процента участников исследования заявили, что считают 3D-принтеры на предприятии конкурентным преимуществом. Что касается возврата инвестиций, 46 процентов респондентов отметили более высокую доходность от вложений, а 49 процентов — сообщили, что получили примерно столько же по сравнению с прошлым годом. И лишь пять процентов руководителей компаний отметили низкую рентабельность инвестиций.

Существует несколько инновационных видов 3D-печати, которые отличаются друг от друга методами печати и используемыми материалами. Главным образом аддитивные технологии работают по принципу послойного добавления материала по компьютерной 3D-модели, виртуально нарезанной на тонкие слои. Другими словами, это выращивание твердого предмета слой за слоем.

Дом, который вырастил Джек

В строительной индустрии 3D-печать стоит в одном ряду с инструментами, необходимость которых очевидна каждому — экскаватором, погрузчиком или башенным краном. Она позволяет быстро и экономично создать точный макет здания или представить архитекторскую задумку для целого района с учетом эргономики, функциональности и внешнего вида.

Наиболее популярные материалы для трехмерной печати в строительной отрасли — гипсовый порошок, пластик и смеси, имитирующие различные поверхности (камень, дерево, металл), а реже — фотополимеры. Некоторые современные 3D-принтеры работают с несколькими материалами одновременно. Отличаться они могут как по цвету, так и по свойствам.

Самый базовый метод 3D-печати — это послойное наплавление (Fused Deposition Modeling, FDM). Деталь фомируется слоями из расплавленной пластиковой нити (расходным материалом может быть воск, пластик или металл), которая подается в пресс с нагревом и через него ровным слоем выдавливается на рабочую охлаждаемую пластину. Затем пластина опускается на толщину следующего слоя, и процесс повторяется. Для послойного наплавления характерна возможность работать сразу с несколькими расходниками и печатать изделия в цвете.

В основном FDM используется, чтобы оперативно изготавливать простые прототипы деталей, при создании трехмерных моделей и прототипировании, а также в промышленном производстве. Альтернативный вариант — метод многоструйного 3D-моделирования (MultiJet Modeling, MJM). Технология напоминает FDM, однако при изготовлении объекта применяются фотополимеры и воск. MJM позволяет добиться высокой точности, но расходные материалы обойдутся недешево.

Аддитивные технологии не только помогают воплотить в жизнь экспериментальные модели для новых конструкций, но решают серьезные архитектурные задачи. Необходимым инструментом 3D-печать стала для завершения строительства храма Святого Семейства: трехмерные модели Саграда Фамилия создаются на принтерах 3D Systems по технологии полноцветной 3D-печати.

По словам профессора Школы архитектуры Йельского университета Марка Фостера Гейджа (Mark Foster Gage), если бы Гауди был жив, в своих проектах он непременно бы использовал аддитивные технологии, так как большинство его работ представлялись в трех измерениях. Компьютеры, 3D печать и роботизированные инструменты ускорили процесс строительства храма. По плану работы должны были быть завершены в 2026 году, к 100-летней годовщине смерти Гауди. Но COVID-19 внес свои коррективы, так что строительство не закончится в срок.

Зубная фея

Напечатанные на 3D-принтере изделия впервые массово пошли в обиход в стоматологии. Первый имплантат в 2012 году напечатала фирма Layer Wise. Тогда же пациенту впервые вживили нижнюю челюсть из титана, которую изготовили с помощью 3D-принтера.

Сегодня аддитивные технологии применяются стоматологами для создания коронок, мостов, виниров и медицинских элайнеров. Трехмерная печать упрощает изготовление необходимых механизмов, позволяя миновать повторные визиты пациента ко врачу, предотвратить возможные неточности и потерю данных. Все проекты хранятся в виде файлов, и при необходимости точно такую же модель можно изготовить повторно.

Наиболее распространенная в стоматологии технология 3D-печати — это стереолитография (SLA): ультрафиолетовый лазер или матрица засвечивает жидкий фотополимер через область печати, смола послойно затвердевает и образует трехмерную фигуру. Стереолитография позволяет добиться наилучшего качества поверхности изделия, работая с широким спектром материалов. Чтобы переключиться с одного материала на другой, достаточно заменить картридж и емкость с полимерной смолой.

Кроме того, стоматологи пользуются технологией цифровой светодиодной проекции (DLP). Она напоминает SLA, но вместо лазера для затвердевания материала используется цифровой проектор. DLP принтеры печатают быстрее, нежели лазерные — правда, в ущерб качеству поверхности — и обходятся несколько дороже.

Метод Ширли

Искусственно выращенная человеческая кожа, в качестве материалов для печати которой используется специальный гель из клеток донора, биосовместимая костная и хрящевая ткань или печать отдельных органов. Все то, что недавно звучало как фантастика, стало реальностью благодаря аддитивным технологиям. В прошлом году мы писали, что в Израиле на 3D-принтере впервые в мире создали сердце, состоящее из тканей и кровеносных сосудов. Правда, из-за небольших размеров (не больше ягоды, около двух с половиной сантиметров) оно подойдет только кролику.

Трехмерная печать активно используется для решения значительно более простых задач. Например, изготовления слуховых аппаратов и ортопедических протезов. Наибольший рост аддитивных технологий, на 20 процентов в год, ожидается в ортопедии, где технологию можно использовать для изготовления имплантов для коленных суставов и позвоночников.

Аддитивные технологии позволяют компенсировать утерянные конечности и отдельные части тела за счет создания функциональных деталей. Так, пациенту из Эвансвилла (штат Индиана, США) Ширли Андерсону буквально вернули лицо. В результате лечения онкологического заболевания ротовой полости он потерял нижнюю челюсть. Вариантов для протезирования было не так много: гипсовый вариант импланта оказался слишком тяжелым и выглядел неестественно. Тогда резидент стоматологической школы Университета Индианы, доктор Трэвис Беллички (Travis Bellicchi) создал цифровую модель лица Ширли.

Чтобы превратить цифровую скульптуру в 3D-печатную форму, готовую к отливке для протеза, Беллички с командой использовали 3D-принтеры Formlabs. Сначала они экспериментировали с FDM-печатью, но в итоге отдали предпочтение 3D-принтеру Form 2 SLA — из-за способности улавливать самые сложные детали. В итоге им удалось передать рельеф человеческой челюсти и текстуру настоящей кожи с учетом мельчайших пор. Доктор назвал свой цифровой метод по созданию искусственных частей лица «Техникой Ширли».

В сфере протезирования используют техники SLS, SLA и ее усовершенствованные разновидности.

Технология LFS использует систему лазерных аппаратов и продуманную схему линз и зеркал, за счет которых луч падает под прямым углом по всей площади печати.

Таким образом, LFS позволяет создавать изделия с проработкой каждой мелкой детали и дает возможность изготовить протез по личным меркам в кратчайшие сроки.

Напечатанные на 3D-принтере протезы не только изготавливаются быстрее, но и стоят дешевле. Это особенно важно для детского протезирования: ребенок быстро растет и протезы приходится часто менять. Кроме того, аддитивные технологии позволяют учитывать особенности развития, конкретные запросы и пожелания детей. Компания Open Bionics вместе с Disney разработала супергеройскую линейку для детей-инвалидов: каждый из протезов стилизован под антураж известных франшиз студии Disney. Механизмы напоминают рукав костюма Железного человека, перчатку Эльзы из Frozen или стилизованный протез из вселенной Star Wars.

Ты ювелир

Ювелиры пользуются теми же принтерами и методами печати, что и стоматологи — в обеих сферах требуется максимальная точность. В основном это технология SLA.

Речь идет не о печати золотого кольца, а о разработке заготовки под отливку металлом: 3D-модель изделия печатают на восковом или на фотополимерном принтере, прикрепляют к ней литник и погружают в опоку. Готовая конструкция отправляется в печь. Там под действием высокой температуры материал выплавляется (если это воск) или выжигается (если это фотополимер). Внутри опоки формируются полости, куда потом заливается серебро. Опоку удаляют, изделие заливают выбранным драгоценным металлом. Наконец, украшение полируют.

Преимущества аддитивных технологий в ювелирном деле:

• Работа выполняется в разы быстрее: при традиционном варианте производства не обойтись без распиловки, пайки и прокатки изделия. Кроме того, многие принтеры предусматривают печать сразу нескольких изделий одновременно.
• Экономия материалов. Уже на этапе 3D-моделирования можно определить точную массу будущего изделия. Ювелир точно рассчитывает необходимое количество материала, а все неиспользованные расходники сохраняются.
• Возможность доработать изделие без убытков. На мастер-модели видны недоработки, которые можно устранить, перед тем как приступать к печати готового украшения.
• Принтер воспроизводит самые сложные и причудливые геометрические формы и способен реализовать любые дизайнерские фантазии.

Так, французский ювелирный дом Jaubalet обрел популярность, начав изготавливать индивидуальные украшения с 3D-печати по эскизам клиентов. Американской компании American Pearl удалось удвоить свои продажи за счет преимуществ ювелирной 3D-печати и благодаря онлайн-каталогу трехмерных моделей.

Предприниматели также используют аддитивные технологии в целях кастомизации: индийский ювелирный дом Aurobliss выпускает уникальные кулоны с изображением заказчика, а японская компания Encode Ring предлагает кольца в форме звуковых волн голоса клиента.

Личное дело

Чаще всего 3D-принтеры применяются для быстрого прототипирования (RP — Rapid Prototyping) — создания концептов и функциональных прототипов.

Концепт продукта — это черновик будущего изделия. 3D-модель позволяет значительно ускорить процесс согласования: быстро исправить недочеты, скорректировать дизайн и напечатать новый прототип — буквально за полдня. Функциональные прототипы, напротив, более сложны и позволяют оценить форму, соответствие и функции каждой части продукта до начала производства.

Помимо экономии времени и денег, печать прототипов позволяет выводить на рынок усовершенствованные продукты, поскольку дизайн, как правило, проходит через множество итераций. В продуктовом дизайне обыкновенно применяются SLA и SLS технологии трехмерной печати.

SLS, или селективное лазерное спекание — распространенная техника печати. Детали формируются на выровненном слое порошка, который плавится с помощью лазера. Изделия, выполненные с помощью этой методики, отличаются повышенной упругостью и прочностью. SLS 3D-принтеры используют в сфере функционального тестирования, прототипирования и для изготовления деталей со сложной геометрией.

Они же применяются и в производстве персонифицированных товаров. В июне 2018 года IKEA совместно с шведским производителем медицинских протезов UNYQ приступила к разработке максимально комфортных кресел, сконструированных специально для геймеров. Чтобы получить персональную модель, заказчик должен просканировать тело в отделении UNYQ. 3D-макет кресла утверждается с учетом телосложения. Готовый продукт заказчик получает через две недели.

Аддитивные технологии осторожно внедряют в розничную торговлю. Применение им находится в большинстве ниш ритейла: от мебели, одежды и аксессуаров до продуктов питания и автомобилей с персональным дизайном. Согласно исследованию компании Technavio Research, объем мирового рынка 3D-принтеров с 2020 по 2024 год увеличится на 14,49 миллиарда долларов и будет расти на 39 процентов ежегодно. Росту популярности 3D-печати также может способствовать пандемия: вещи, которые невозможно достать из-за сокращения темпов производства и проблем с логистикой, домохозяйства или мелкие предприятия могут изготавливать дома.

Вполне возможно, через десятки лет заводы закроются, у каждого магазина будет свое 3D-производство, автомобили начнут печатать за сутки, а из лунной пыли можно будет сделать шкаф, стол или построить загородный дом с террасой.

Наталья Лучкина