3D-печать произведет революцию в производстве и доставке материальных товаров

На протяжении большей части XX века для производства твердых трехмерных деталей использовались два основных варианта технологического процесса. Первый заключается в придании формы пластичному материалу. Примером может служить заливка расплавленного пластика в модельную оснастку или прессование нагретого металла. Другой метод основан на удалении лишнего материала из готового блока или листа, подобно тому как скульптор отсекает от мраморной глыбы все лишнее, чтобы получить статую. Оба подхода имеют свои недостатки. Создание форм стоит дорого, к тому же они почти не поддаются модификации. А так называемое субтрактивное производство расходует слишком много материала и, кроме того, не подходит для некоторых форм предметов.

В 1980-е годы зародился новый класс технологий²⁶¹. В отличие от традиционных методов, этот способ подразумевал создание объектов путем последовательной укладки или напыления сравнительно тонких слоев материала одного за другим, так чтобы они постепенно формировали трехмерную структуру. Этот класс технологий получил название «аддитивное производство», «трехмерная печать» или просто «3D-печать».

Наиболее распространенные модели 3D-принтеров работают по принципу струйных²⁶², в которых печатающая головка перемещается туда-сюда вдоль листа бумаги, распыляя чернила из картриджа через одно или несколько сопел в точках, заданных программным обеспечением. В 3D-принтерах вместо чернил используется пластик, который становится жидким при нагреве. Материал послойно укладывается через сопло в соответствии с заранее подготовленным цифровым шаблоном, постепенно создавая объемный объект. Когда деталь остывает, слои срастаются и набирают прочность. В последние 20 лет разработчики продолжали совершенствовать 3D-принтеры, добиваясь большего разрешения и скорости печати, а также снижения затрат²⁶³. На сегодняшний день системы 3D-печати способны создавать объекты из множества материалов, в том числе из бумаги, пластика, керамики и металла. В будущем достижения в этой области позволят освоить и более экзотические виды сырья. Например, можно будет создавать медицинские импланты со скрытой внутри дозой лекарства, которая будет постепенно высвобождаться. Из наноматериалов, таких как графен, получится производить легкую пуленепробиваемую одежду и сверхпроизводительную электронику. На сектор 3D-печати большое влияние окажут системы ИИ. Их задачей будет оптимизировать форму детали для достижения требуемых характеристик: прочности, аэродинамической эффективности и др. Кроме того, ИИ будет создавать чертежи объектов, которые невозможно произвести традиционными методами.

Новые приложения с интуитивно понятным интерфейсом позволяют людям легко создавать запчасти на 3D-принтере, не требуя долгого обучения. Широкое распространение 3D-печати в скором времени коренным образом преобразит производственный сектор. Одним из главных преимуществ новой технологии является возможность быстрого прототипирования. Инженер может спроектировать новую деталь на компьютере, и через несколько минут или часов готовая 3D-модель будет у него в руках – раньше на это уходили недели. Это позволяет провести несколько циклов тестирования и модификации модели в разы дешевле, чем с помощью традиционных технологий. Как следствие, люди с хорошими идеями, но без достаточного финансирования, смогут выводить свои продукты на рынок и приносить пользу обществу.

Еще одним важным преимуществом 3D-печати является возможность модифицировать детали под конкретный заказ, что было практически невозможно при использовании форм для литья. Даже небольшая доработка изделия требует изготовления новой формы, что иногда обходится в десятки тысяч долларов. Напротив, при 3D-печати даже существенные изменения модели не влекут за собой дополнительных расходов. В результате изобретатели получают именно те детали, которые им нужны, а потребители – товары, изготовленные по индивидуальному заказу. Примером может служить изготовление идеально сидящей обуви на основе точных замеров ноги клиента. Лидером среди производителей обуви методом 3D-печати является компания FitMyFoot, которая разработала приложение, позволяющее по нескольким фотографиям ноги клиента рассчитать параметры для печати²⁶⁴. Аналогично изготавливается мебель, которая учитывает особенности строения тела клиента, а инструменты получают ручку, идеально подходящую для вашей кисти²⁶⁵. Что гораздо более важно, медицинские импланты станут более доступными и качественными²⁶⁶.

Напечатанный на 3D-принтере титановый межпозвонковый диск, который может быть имплантирован пациентам с повреждениями или заболеваниями позвоночника. Фото: Майкл Дж. Эрмарт, 2015. Предоставлено Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA)

Вдобавок ко всему 3D-печать открывает возможности для децентрализации производства. Она позволяет передать часть или весь производственный процесс пользователям или местным подрядчикам. Это в корне меняет практику, сложившуюся в XX веке, когда производство было сосредоточено на гигантских заводах в крупных городах. В таких условиях жители небольших городов и развивающихся стран вынуждены заказывать товары, произведенные очень далеко от места их жительства, тратя деньги и теряя время из-за пересылки. Рассредоточенное производство также благотворно отразится на окружающей среде. Транспортировка товаров с завода, расположенного в сотнях тысяч километров, приводит к огромным выбросам парниковых газов. По данным Международного транспортного форума, на контейнерные перевозки приходится 30 % выбросов углекислого газа, образующегося при сжигании топлива²⁶⁷. Децентрализация производства избавит нас от необходимости перевозить существенную часть товаров.

С каждым годом возможности 3D-печати растут, а издержки технологии сокращаются²⁶⁸. По мере увеличения разрешения, то есть уменьшения размера элементов, которые можно напечатать, и снижения затрат расширяется спектр товаров, которые целесообразно изготавливать таким способом. Например, нити многих современных тканей имеют диаметр от 10 до 22 микрон (миллионных метра)²⁶⁹. Уже существуют 3D-принтеры, способные печатать с разрешением в 1 микрон и даже меньше²⁷⁰. Как только нам удастся печатать нити нужной толщины из материалов, по свойствам напоминающих ткань, причем по цене обычной ткани, сразу станет экономически выгодным печатать любую одежду по нашему желанию²⁷¹. А учитывая растущую скорость печати, производство большими партиями станет вполне практичным²⁷².

Помимо производства товаров повседневного спроса, таких как обувь и инструменты, ведутся активные исследования по применению 3D-печати в биологии. Ученые испытывают технологии, которые позволят создавать ткани человеческого организма, а затем и полноценные органы²⁷³. Процесс создания органа включает в себя несколько этапов. Сначала из биологически инертного материала, например синтетического полимера или керамики, печатается трехмерный «каркас» в форме нужного органа. Затем каркас покрывают жидкостью, содержащей перепрограммированные стволовые клетки. Эти клетки, размножаясь, заполняют форму, создавая в итоге запасной орган на базе ДНК самого пациента. Компания United Therapeutics, членом совета директоров которой я являюсь, ставит перед собой цель однажды научиться таким образом выращивать легкие, почки и сердце²⁷⁴. Этот метод имеет ряд неоспоримых преимуществ перед трансплантацией органов от одного человека другому. Во-первых, органы не придется ждать и они не будут стоить так дорого, а во-вторых, полностью исключается риск отторжения импланта иммунной системой пациента²⁷⁵.

Одной из отрицательных сторон 3D-печати является то, что эту технологию можно применять для изготовления контрафактной продукции. Зачем платить 200 долларов за пару дизайнерских ботинок, если можно скачать нужный файл и распечатать их у себя дома гораздо дешевле? Мы уже столкнулись с проблемой кражи интеллектуальной собственности в музыкальном, книжном и кинобизнесе, а также в других областях творчества. По-видимому, нам потребуются новые подходы к защите авторских прав²⁷⁶.

Еще одной серьезной проблемой станет появление у людей возможности изготавливать оружие, которое раньше было сложно получить из-за централизованных процессов производства. Уже сейчас в интернете можно найти файлы, позволяющие самостоятельно распечатать детали для пистолета²⁷⁷. Это может затруднить контроль за оборотом огнестрельного оружия, так как появятся экземпляры без серийных номеров, которые намного сложнее отследить. Пистолеты, напечатанные на 3D-принтере из специального пластика, смогут даже обмануть металлодетекторы. Возможно, придется пересмотреть законодательство и принять дополнительные меры.