Обзор литературы по осмыслению технологии 3D-притинга дает скудные результаты. Во-первых, поскольку технология сейчас начинает массово использоваться энтузиастами, интернет заполнен восторженными отзывами, рассуждениями о том, что буквально все можно будет «напечатать». Типичный пример – сайт «Открытый технический форум по робототехнике» [5]. Делаются пистолеты и шестеренки, скрипки и малые архитектурные формы – обзор успехов за 2012-й год пестрит фразами «впервые в мире» [7]. Во-вторых: есть попытки профессиональных обзоров потенциального рынка 3D-принтеров. Однако, основой таких рассуждений выступает обработка статистической информации и чисто технические рассуждения о потенциале замены того или иного товара. В третьих это буквально студенческие работы. Например, в выступлении Коди Уилсона ЗD-принтер рассматривается преимущественно с точки зрения последствия применения этой технологии для гражданского общества [10]. В-четвертых, футурологические статьи о 3D-принтерах – И. Мин «Новая алхимия 3D-принтеры и отпечаток будущего» [4]: «3D-принтер вырывает материю из лап виртуального, усложняет порядок вещей, предвкушая более интересную и комфортную жизнь материи», — как видно уже из этой цитаты, эта технология воспринимается слишком метафорически, чересчур эмоционально, на неё возлагаются громадные надежды, что почти всегда есть предвестником разочарования. В статье К. Фрумкина, И. Савина «Трехмерный бизнес» опять-таки можно прочесть перечень побед и некоторых открывающихся перспектив[6].

На сегодняшний день существует лакуна в осмыслении данной технологии, и это проблема, частичному решению которой посвящена данная статья.

Объект статьи: технология стерелитографии (3D-принтинга).

Предмет: методологические основания, задающие область технически рационального использования данной технологии.

С какой технологией из уже существующих можно сравнить 3D-принтинг?

На первый взгляд это смесь из литья и пайки: некий материал меняет свое агрегатное состояние (застывает) и за счет этого формируются изделия. Если литье предполагает ограничение зоны изменения агрегатного состояния с помощью внешней формы, а пайка используется для создания небольших участков изделия (припой в своей основе сохраняет форму изделий, которые скрепляет), то «объемная печать» позволяет задать конфигурацию изделия, сохраняя «естественное» застывание каждого отдельного фрагмента исходного материала.

Можно сказать, что решается задача изменения агрегатного состояния вещества (затвердевания) в произвольной точке рабочего пространства 3D-принтера. Благодаря разложению объема изделия в математической модели на ряд слоев – осуществляется переход от 2D к 3D.

Существуют ли аналогии у технологии «объемной печати»?

Решение задачи трансформации вещества в произвольно точке рабочего стола (на плоскости) решена в лазерной резке – лазерный луч плавит, испаряет небольшие объемы материала.

Есть технологи изменения свойств вещества в произвольной точке объема уже существующего изделия: лазерная гравировка внутри оптического стекла.

Работу с изменениями статуса точки на плоскости в рамках математической модели –удалось реализовать еще в графопостроителе (1970-е).

Наконец, самой ранней схожей технологией, пусть аналогия и будет весьма отдаленной, есть швейная машинка: стежок делался абсолютно автоматически, работнику приходилось лишь правильно двигать ткань на «рабочей площадке». Примечательно, что и у части современных 3D-принтеров рабочая головка, через которую подается расплав – движется только в двух плоскостях, для создания предмета требуется, чтобы двигалась и рабочая площадка.

Общая линейка этих технологий основана на точности работы, превышающей возможности квалифицированного рабочего (подражая 3D-принтеру работать можно, но это будет либо крайне медленно, либо неаккуратно) – идет автоматизация «мелкой моторики», но эта автоматизация не повторяет традиционный алгоритм производства (как и должно быть с любой настоящей автоматизацией). Разложение объема изделия на плоскости обработки (слои застывания материала) можно уподобить применению дифференциального исчисления: вместо того, чтобы добиваться необходимой конфигурации вещества последовательным приближением к его форме (ковка, обработка на токарном и фрезерном станке), или точным копирование модели (штамповка, литье), 3D-принтер осуществляет «попиксельный» алгоритм изготовления.

Но в чем же качественно новые возможности стереолитографии?

Осуществлен прорыв в изготовлении гомогенных изделий произвольной формы. Там, где требовалось оборудование для штамповки каждой отдельной детали – можно обойтись одним единственным станком.

Можно ли говорить о новой парадигме в материалообработке?

Рассмотрим признаки новой парадигмы техники:

— необходимо использование качественно новых материалов, нового уровня энергии, нового характерного объема работы;

— формирование собственного технологически замкнутого цикла (одни изобретения способствуют появлению других, появляется устойчивый набор технологий);

— формируется собственное «несущее противоречие» [1, C.203-204]— когда попытки улучшить какие-либо качество изделий, приводят к ухудшению заведомо известного набора других качеств. Простейший пример – противоречие между защищенностью и огневой мощью танка.

На данный момент индустрия 3D-принтиров демонстрирует часть признаков новой парадигмы:

— возникают устойчивые специфические требования к пластику, как к материалу; устраняется значительный объем используемых ранее инструментов. Появляются новые степени свободы в производственном процессе. Но в вопросе «трудозатрат» далеко не все так однозначно. Технология лазерной резки металла широко распространена уже несколько лет, и там сформировалось достаточно устойчивое разделение: мелкие партии заготовок дешевле и проще вырезать из листа лазерным лучом, но если возникает необходимость в тысячах однотипных изделий – требуется пресс-форма, вырубной пресс, конвейер и т.п;

— есть явные предпосылки к формированию собственного замкнутого цикла. Наиболее яркий пример – постоянные попытки представить 3D-принтер, который сможет изготовить такой же 3D-принтер. Это словно буквальное воплощения образа из «Разговора д’Аламбера с Дидро» — фортепиано, которое может порождать маленькие фортепиано [2, С.386]. Такие попытки во многом являются «жульничеством» — технология «объемной печати» не позволяет изготавливать процессоры, необходимые для работы 3D-принтера. Но на лицо очень быстрое распространение в сети программ-алгоритмов, которые позволяют «печатать» предметы, описаний технологий по изготовлению пластика-сырья и т.п. Можно предположить, что сравнительно быстро пройдет замыкание петли рециклинга – изделия принтеров будут рассматриваться как вторсырье для следующих вариантов изделий;

— характерным несущим противоречием технологии ЗД-принтинга можно указать следующее: с одной стороны – необходимость подчинять изготовления объекта процессам застывания каждой отдельной «капли», с другой – требования по структуре материала того же объекта. Быстрота затвердения «капли», образование пленки на поверхности, возможность частичного расплавления при попадании сверху такого же материала. Вообще процессы отвода тепла и смены агрегатного состояния в объемах «капли» – становятся важнейшими объектами исследования. Так же можно сформулировать противоречие, определяющее взаимодействие 3D-принтинга и традиционных технологий: с одной стороны это специализированность каждого действия, на которую обеспечивает привычный конвейер, с другой – универсальность формы изделия, которую единством стандартизированного действия «застывания капали» обеспечивает «объемная печать».

В качестве промежуточного вывода можно сформулировать тезис: стереолитография в данный момент – технология, которая обеспечивает становление новой парадигмы материалообработки.

Каковые же наиболее очевидные перспективы использования новой технологии?

Можно провести аналогию с трансформацией деревообработки: современные станки с ЧПУ позволяют обеспечить устранение практически любого фрагмента заготовки в «рабочем объеме» станка – в этих условиях фуганки, цикли, долота и прочий инструмент ручной обработки дерева фактически оказался устранен из фабричных цехов. Но необходимость продавать полуфабрикаты (доски, фанеру), необходимость обрабатывать изначально хаотичный материал (сырые бревна), куда-то девать отходы (щепу) – не позволяет довести процесс автоматизации деревообработки до логичного финала: когда в аппарат попадает дерево, а на выходе получаются готовые изделия. Производство остается хоть и механизированным, но электрорубанки, древорежущие и фрезерные станки – не устраняются целиком. При том, что качества инструментальных материалов (сталей на фрезах), программного обеспечения и возможности станкостроения – казалось бы, позволяют достичь идеала автоматизации.

Пластик (и другие материалы) – в 3D-принитере уже нормирован, его свойства заранее известны. Потому громадная часть издержек на промежуточные этапы обработки – будто исчезает. Это все равно, что отказаться на металлургическом заводе от прокатного стана, а в единственной установке получать все типоразмеры двутавров и уголков. Разумеется, за это приходится расплачиваться временем изготовления каждого конкретного объекта: штамповка позволяет получить деталь буквально за секунду, а цикл изготовления в 3D-принтере — десятки минут. Обыкновенную пластиковую бутылку нерационально изготавливать технологией «объемной печати»: конвейер выдаст сотни бутылок в минуту. Но одновременно идет громадный выигрыш времени на логистике производства и работе сбытовой сети.

Если взять среднестатистическую пластиковую автозапчасть – то требования по её прочностным качествам будут весьма ограниченными. Например, крыло (покрытие над колесом) мотоцикла. Или крышка «бардачка» в салоне. Замену поломанной детали необходимо заказывать – период доставки может составить несколько недель. Или же ремонтники должны использовать большие складские помещения, буквально затаренные сотнями наборов деталей. Скачать программу изготовления этой детали из сети

То есть в рамках качественного скачка, позволяющего определять изменения агрегатного состояния вещества в любой точке заготовки, «прячутся» не только промежуточные этапы обработки, но и, опосредовано, инфраструктура по доставке детали потребителю.

Кроме этого, у 3D-принтига есть еще одно важнейшее преимущество: фактическая свобода распространения и использования проектных программ. Этот феномен наблюдался и ранее. Радиолюбители свободно обменивались многими схемами, это резко поднимает уровень работы отдельных «радиокружков» однако не отменяет требований по квалификации (умению обращаться с паяльником и составлять схемы) каждого отдельного радиолюбителя. Да и поле применение самодельных схем — сравнительно узкое. Программисты и дизайнеры легко обмениваются программными продуктами – и это так же повышает качество разработок. В случае 3D-принтига требования к работнику – связаны с обслуживанием самого принтера, а не по изготовлению данной конкретной модели. То есть во всей индустрии 3D-принтинга резко увеличивается целостность технического знания. Расчеты по сопротивлению материалов каждой модели, которую пользователь скачивает из сети – проделаны уже не им. А если он составил новую математическую модель, написал программу и выложил в сеть – ими могут пользоваться везде. В отрасли резко снижаются затраты на непосредственное инженерное обеспечение процесса производства. Это можно сравнить разве что с автоматизацией процесса печати, которую произвели компьютер и обычный принтер: чтобы отпечатать сотню-другую страниц теперь совсем не обязательно быть наборщиком, типографом, специалистом по краске.

Примем за центр уловной технологической системы тандем лаборатории и конструкторского бюро, в которых делают открытие, проектируют новую машину и выдают для завода проектную документацию. Тогда периферией такой системы будет самая примитивная мастерская, где могут поменять батарейки в электронных часах, почистить контакты пылесоса и т.п. Главное преимущество 3D-принтинга – перемещение грамотного потребителя или любого толкового специалиста – ближе к центру такой системы. Обеспечивается быстрое заимствование удачных технологических решений и сравнительно быстрое устранение неудачных. Обеспечивается широкое обсуждение и условия для экспериментальной проверки рационалистических предложений. Обеспечивается мгновенное подражание дизайну — пытаются распечатывать даже модные платья, не говоря уже о сувенирах и декоративных предметах интерьера. То есть специалист-разработчик минимизирует затраты времени на количественную работу с производством, и высвобождает максимум времени на качественное улучшение проектов.

Но домашний принтер не отменяет производство книг в типографии. Качественно иное противоречие возникает, когда требуется сборка сложного изделия. Заведомо состоящего из десятков и сотен разнородных деталей. Возникают проблемы логистики, точности изготовления и т.п. Энтузиасты 3D-принтинга могут попасть в положение старика Хоттабыча, который изготовил телефон из отборного черного мрамора, но этот телефон отчего-то не звонил. Разумеется, возможна разработка целых автомобилей, большую часть частей к которым изготавливает 3D-принтер, а пользователь относительно быстро собирает. Но каковы возможности таких машин?

В современном автомобиле – сотни метров проводов, десятки деталей со специфическими покрытиями, обеспечивающими уникальные физические свойства. Палантиновый катализатор для снижения вреда выхлопных газов – тяжело напечатать на том же принтере. Не говоря о фаре или свече.

Какие могут быть ограничения у новой технологии и насколько успешно они преодолеваются? Требования по гомогенности и гетерогенности изделий становятся наиболее «узким местом»:

— экструзионная головка обеспечивает расплавление и застывание одного материала. Использование принтера с двумя и более головками начинает усложнять его конструкцию. Если используются два вида пластика, отличающиеся только цветом, то технологических проблем не возникает. Но необходимость использования армирующего материала с другой температурой плавления, отличающейся на сотни градусов, потребует отдельных сборочных операций. Чем больше у 3D-принтера экструзионных головок, чем больше дополнительных условий (например, защитная атмосфера для предотвращения окисления), тем быстрее растет его сложность. Возникают проблемы компоновки, когда все оборудование необходимо каким-то образом уместить в одной камере. Неизбежно возникает необходимость подготовки разнообразных полуфабрикатов. Пределом выступает фактически универсальный комплекс по обработке материалов, который по своей сложности не уступает конвейеру.

— некоторые изделия заведомо слабо совместимы с 3D-принтигом в силу даже не гетерогенности химического состава, но явной нерациональности совмещения обработки разных частей изделия. Например, патроны. Изготовить гильзу или пулю с помощью технологии «объемной печати» – возможно. Но возникает необходимость разрыва технологической операции для засыпки пороха, отдельная проблема с установкой капсюля (хотя он может лежать на рабочем столе и быть отправной точкой для печати гильзы, которая «нарастет» вокруг него), и уже тем более сложно изготовить капсюль на том же самом 3D принтере. Понятно, что такие патроны могут быть только пластиковыми. Можно приводить в пример аккумуляторы , мониторы и т.п.;

— при обработке материалов с высокой температурой плавления возникают сложности, связанные с окислением поверхности застывающих «капель». Разумеется, можно использовать упоминавшуюся защитную атмосферу или вообще обеспечить вакуум. Но прочность такого изделия заведомо будет ниже цельнолитого или выточенного. Неоднородность в процессе застывания создаст разную кристаллическую структуру материала. Следовательно, при изготовлении ответственных изделий (коленвалы, шестеренки редукторов, двигатели внутреннего сгорания, оружейные стволы) – 3D-принтинг будет заведомо уступать всем технологиям, построенным на методе последовательного приближения к форме изделия;

— поскольку каждая отдельная «капля» в принтере застывает, имея свою поверхность с изгибом, то неизбежна проблема точности изготовления поверхностей целых изделий. Если требования по точности превышают «изгибы» капли, то необходимо вводить новую технологическую операцию – полировку (или её заменители ). Если речь идет о бытовых деталях или даже о промышленных, обладающих невысокими допусками по точности – проблем не возникает;

— при использовании разнообразных порошков, которые по заданной программе может спекать лазер – может возникнуть отдельная проблема с их производством: порошковая металлургия требовательная к дисперсионному составу сырья;

— еще одним недостатком, уже мало связанным с качеством материалов, есть ограничение в «рабочем объеме» 3D-принтеров. Разумеется, существуют заводские 3D-принтеры, с большой площадью рабочей поверхности. Есть и строительные 3D-принтеры, которые позволяют взводить даже небольшие дома. Но их общим недостатком есть работа лишь внутри рабочего пространства.

В машиностроении уже достаточно давно известно противоречие, в чем-то схожее с несущим противоречим 3D-принтинга. Любая модельная конструкция позволяет быстро изменить конфигурацию готового станка, машины, корабля, придать ему универсальность; но эта же модульность снижает качества машины в каждом отдельном случае – целостный, спроектированный лишь под выполнение одного действия агрегат, позволяет добиться куда более высоких показателей.

Указанное противоречие и обуславливает «технологическую нишу» 3D-принтеров. На этапе проектирования, внесения рацпредложений, опытного производства и т.п. – 3D-принтер в большом количестве случае будет незаменим. Потом использование новой продукции сталкивается с двумя качественными ограничениями: надежность и себестоимость. Надежность обеспечивается а) качественным улучшением материала (хотя множество бытовых изделий не настолько требовательны), б) проверкой объекта (многие экспериментальные проверки опять-таки будут заменены математическим моделированием). Себестоимость изготовления, даже с учетом выигрыша в логистике – может потребовать создания конвейера. Но как только любое изделие будет снято с конвейера, 3D-принтер в громадном большинстве случаев будут выигрывать у ручного труда.

Но насколько возможно расширение технологической ниши «объемной печати»?

Развитие технологии принято отсчитывать с 1986-го года, когда Чак Халл запатентовал «Аппарат для стереолитографического производства трехмерных объектов»[9]. Тогда ультрафиолетовый луч «спекал» жидкий фотополимер, слой за слоем создавая изделие. С тех пор резко улучшилась точность работы 3D-принтеров, стали куда более разнообразны способы печати, используется очень большое число материалов (например, титан ). Создано большое количество моделей 3D принтеров: бытовые, профессиональные, производственные.

Но какие качественные скачки возможны?

— 3D принтер, который будет ориентировать процесс «застывания» не только внутри своего рабочего объема, но и ориентировать себя в пространстве цеха, строительной площадки, дома и т.п. Если такой принтер уподобится пауку, то его возможности резко возрастут;

— изменение в используемых материалах: чем больше будет вариаций таких материалов, тем больше ниш сможет занять 3D-принтер. Но вопрос не только в использовании, например, цемента, но и в создании таких смесей, которые бы могли приблизиться по гомогенности к цельнолитым или кованым изделиям. В этом смысле очень показателен биопринтер, на котором пытаются воспроизводить человеческие органы: создается каркас из растворимого вещества, на который помещается большое количество живых клеток. Клетки начинают срастаться, каркас вымывается, и получается живой орган. Но это едва ли не предельный пример того, как в каждом элементе, используемом принтером, уже есть «программа» всего изделия;

— использование нескольких технологических операций: не сводя всю к процессу 3D-принтига, можно запрограммировать машину на создание армирующей решетки, на прокладку в изготавливаемом изделии проводов и т.п. В некоторых моделях строительных принтеров уже реализована функция установки арматуры – миниатюризация такого процесса даст возможность, например, работать с углеродным волокном, что резко повысит прочность изделий;

— сегодня 3D-принтер не может собрать алмаз, хотя «нанопринтеры», создающие микроскопические объекты, уже существуют. Все понимают, что углерод для сборки его атомов в виде кристаллической решетки алмаза требует высоких температур и давления. Следовательно, работа 3D-принтера не только при «стандартных условиях» (750 мм.рт.ст. и 250С) — становится необходимостью;

— нанопринтеры, при возможности создания микроскопических изделий, обладают малой производительностью. Возможность работы одновременно десятков экструзионных головок, создание блоков и панелей – позволит резко поднять производительность и, опять-таки, улучшить качество изделий.

Общий тренд на повышение точности работы механизмов и на усложнение программ их действий – вероятно, сохранится в робототехнике следующих десятилетий. Следовательно, можно предполагать не просто быстрое развитие технологии стереолитографии, не просто широкое распространение такой технологии, но совмещение этой технологии с другими, традиционными технологиями материалообработки и машиностроения – в конструкциях одних и тех же аппаратов. Процесс отдалённо можно сравнить с широким распространением прокатки в XIX-м веке: эта технологическая операция была известна сотни лет, но после появления достаточно мощных паровых двигателей и концентрации производства – смогла потеснить традиционные ковку и литье. «Объемная печать» куда более универсально и последствия её распространения будут значительнее. Скорее всего, будет радикально перестроено производство мелкосерийных не ответственных изделий.

Но что можно сказать уже сейчас: оказав очень большое влияние на промышленность, стерелитография не сможет дать людям «хозяйственную независимость» или обеспечить «заводы в каждом доме». Компьютерная революция, которая позволяет делать фильмы и печать книги в каждом доме – привела в первую очередь к бешеному росту потребления уже готовых продуктов. Миллионы людей пишут колонки в социальных сетях, но большую популярность обрели лишь тысячи из них. Любительскими съемками заполнены развлекательные сайты – и запоминаются лишь немногие из них. Общество повысит стандарт потребления. Но чем более сложное и отвественное изделие требуется изготовить – тем сложнее и дороже будет 3D-принтер. Кроме того, есть инфраструктурные ограничения: проблемы энергетики, получения сырья для 3D-принтеров – они не исчезнут по мановению волшебной палочки.

Вывод: технология стереолитографии обеспечивает становление новой парадигмы материалообработки, но не вытеснит окончательно традиционные технологии. Её главным преимуществом есть увеличение целостности технического знания и независимость собственно процесса изготовления продукта от квалификации пользователя.

Литература:

1. Бескаравайный С.С., Капитон В.П. Философия техники: монография – Днепропетроск: ДГФА, 2011. — 302c.

2. Дидро Д. Разговор д’Аламбера с Дидро// Дидро Д. Сочинения: в 2-х т. — Т.1 — М.: Мысль, 1986. – С.379-392.

3. Доступная технология сглаживания объектов 3D печати – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/171611/

4. Мин И. «Новая алхимия 3D-принтеры и отпечаток будущего» – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.lookatme.ru/mag/future/future/...

5. Открытый технический форум по робототехнике» – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://roboforum.ru/forum107/

6. Савин И., Фрумкин К. «Трехмерный бизнес» – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://ko.ru/articles/24720.

7. 3d принтеры. Обзор достижений за 2012 год – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/169437/

8. 3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures» – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.100...

9. U.S. Patent 4,575,330 (“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”) – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.google.com/patents?id=ye8zAAAA...

10. Wilson C. Philosophy Behind 3-D Printers – [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://libertarianlonghorns.com/2012/11/1...

[1] И эти расчеты можно в значительной степени автоматизировать.

[2] Можно привести контрпример напечатанного миллиметрового аккумулятора: «3D Printing of Interdigitated Li-Ion Microbattery Architectures» [8] – но для создания такого аккумулятора все равно требуется операция заполнения емкости электролитом. Фактически, принтер напечатал только миниатюрные металлические детали аккумулятора.

[3] Например – химическую обработки: для сглаживания поверхности скульптуры её помещают в ацетон: «Доступная технология сглаживания объектов 3D печати» [3].

[4] Порошки металлов спекаются лазерным лучом – «технология прямого лазерного спекания» (Direct metal laser sintering)