Промышленная революция

 

Назревает новая промышленная революция — профессор Массачусетского технологического института Нейл Гершенфельд уверен в этом. В XX веке товары, которые изготавливались на больших заводах и фабриках, почти полностью вытеснили поделки кустарей. Промышленное оборудование было не по карману одиночкам, и окупить его возможно только при массовом производстве. Так и продолжается и по сей день. Однако всегда ли так будет?

Вспомним: пятьдесят лет назад электронные вычислительные машины, но дорогие и труднодоступные мейнфреймы в конечном итоге сдались перед напором персональных компьютеров. То же самое произойдет и с промышленным оборудованием, считает Гершенфельд. Оно станет настолько дешевым и простым, что персональную фабрику сможет позволить себе едва ли не каждый.

Универсальные мини-фабрики или «фаблабы», придуманные в исследовательском центре Гершенфельда, позволяют производить штучные серии предметов и устройств, которые крайне трудно сделать без профессионального оборудования. Фаблаб стоит 25 тысяч долларов — это немало, но, для сравнения, первые мини-компьютеры стоили примерно столько же. А дальше? «Мы приближаемся к моменту, когда станут возможны машины, способные изготовить любые другие машины», — утверждает Гершенфельд.

Цветной трехмерный принтер Z Corp. Spectrum Z510

Других объяснений не требуется — и так все ясно. Приспособление, на которое он намекает, встречается в научной фантастике немногим реже, чем межпланетные корабли или искусственный интеллект. Полевые синтезаторы у Стругацких, репликаторы в американском «Звездном пути», матсборщики у Нила Стивенсона — они отличаются названиями, но суть одна: достаточно сообщить такому устройству, что нужно, и оно синтезирует заказанный объект из подручных материалов — неважно из чего, хоть из опилок.

О так называемом универсальном сборщике, гипотетической машине, способной манипулировать отдельными атомами и собирать из них произвольные предметы, думал еще Джон фон Нейман — правда, то были исключительно теоретические рассуждения. Сейчас такую машину назвали бы нанотехнологической; о подобных устройствах много писал основоположник молекулярной нанотехнологии Эрик Дрекслер. Он считает, что со временем для производства любых предметов будут использовать нанофабрики — системы нанороботов, умеющих строить макрообъекты из атомов примерно тем же способом, каким РНК в живых клетках строят белки. Единственная проблема заключается в том, что технологий, рассматриваемых Дрекслером, пока не существуют — и даже уверенности в том, что они появятся в обозримом будущем, нет.

Цветной трехмерный принтер Z Corp. Zprinter 650

Приходится обходиться без них. Устройства, используемые взамен, куда прозаичнее, но, наверное, и PDP-7, за которым Кен Томпсон в 1969 году разрабатывал первый UNIX, тогда казался скучнее говорящего HAL-9000 из «Космической одиссеи 2001». С чего-то же ведь нужно начинать.

 

ТРЕХМЕРНАЯ ПЕЧАТЬ В РОССИИ

Наша страна, к сожалению, находится на задворках рынка трехмерной печати. Журнал «Конструктор. Машиностроитель» приводит данные, согласно которым в 2007 году в России имелось всего лишь 168 машин для быстрого прототипирования. Можно предположить, что спустя два года ситуация улучшилась, однако трехмерные принтеры по-прежнему остаются редкостью.

Пока что трехмерные принтеры представляют собой профессиональное промышленное оборудование. Они крайне дорого стоят, предназначены для решения узкого круга задач и требуют квалифицированного обслуживания. Их приобретают предприятия, которые действительно нуждаются в подобных машинах.

Многие (хотя и не все) заметные производители оборудования для трехмерной печати имеют представителей в России. Например, продажей оборудования фирмы Stratasys занимаются компании «Солвер» (solver.ru) и «Компания Би Эй Ви» (bavcompany.ru). Известно, что в России принтеры Stratasys установлены, среди прочего, на московском машиностроительном заводе «Красный пролетарий» и «Лаборатории трехмерного зрения», на красноярском заводе холодильников «Бирюса» и в научно-производственном комплексе «Элара» в Чебоксарах.

У компании Objet два официальных дистрибьютора в России: «Инженерная фирма АБ Универсал» и компания «Джетком». Старшие модели можно купить по цене до 350 тысяч евро, а младшие — за 50 тысяч евро. Правда, нужно заметить, что за кордоном они гораздо доступнее — высокие технологии, по обыкновению, достаются нам втридорога. Например, Objet Alaris 30, стоящий в Европе 35-36 тысяч евро, в России обойдется уже в 50-55 тысяч евро. Вырастают цены и на расходные материалы, и без того, мягко говоря, недешевые.

Дистрибьюцией популярных трехмерных принтеров Z Corp на территории стран СНГ занимается фирма Cybercom: одним из них, кстати, печатают заказы в упомянутой компании «Инвент». Другой недорогой принтер — Solido израильского производства — стоит у нас 30 тысяч евро. Аппарат склеивает объемные объекты из слоев тонкой полихлорвиниловой пленки. Российские поставки Solido обеспечивает торговый дом «Научное оборудование» (tdno.ru).

Из-за высоких цен на оборудование процветают сервисы, предоставляющие услуги трехмерной печати или сдающие дорогие аппараты в аренду. «Джетком», помимо дистрибьюции принтеров Objet, принимает заказы на печать при помощи профессионального трехмерного принтера Objet Eden350V; изготавливает 3D-объекты на заказ и Cybercom, но уже на принтерах Z Corp Spectrum Z510 и ZPrinter 650.

Кроме того, есть множество небольших компаний, специализирующихся на быстром прототипировании, но они часто не ограничиваются лишь трехмерной печатью. Они могут заниматься и 3D-сканированием, моделированием, литьем и т. д. Как правило, такие фирмы ориентированы исключительно на корпоративных заказчиков.

ПЕЧАТНЫЙ ЦЕХ

Ближайшие родственники современных устройств для персонального производства — обыкновенные станки с числовым программным управлением, которые обрабатывают заготовки согласно заложенной программе. Гершенфельдовские мини-фабрики состоят именно из них: как правило, в фаблабе имеется программируемый высокоточный станок, лазерный резак, оборудование для изготовления печатных плат и трехмерный принтер. Последнее устройство особенно интересно.

Дело в том, что назначение трехмерных принтеров или фабрикаторов (значение второго термина несколько шире, но в нашем случае это синонимы) в точности совпадает с назначением футуристических нанофабрик: на входе в них закладывают компьютерную модель и материал, а на выходе получают готовый предмет. Разница в том, что возможности реальных фабрикаторов серьезно ограничены, поэтому изготовить с их помощью возможно далеко не все.

Технологии, используемые при трехмерной печати, придуманы не вчера. Один из ведущих производителей аддитивных фабрикаторов, компания 3D Systems, выпустила первый аппарат для стереолитографии еще в 1987 году. Стереолитография основана на использовании жидкого фотополимера, который затвердевает при обработке лучом лазера. Если обычный принтер печатает сложные фигуры построчно, то трехмерный делает это послойно. Платформа, покрытая полимером, крохотными шажками движется вниз, пока лазер наращивает на ней один слой за другим. Стереолитография точнее прочих методов трехмерной печати — величина каждого шага не превышает 0,05 мм, поэтому заметить отдельные слои на готовом объекте трудно.

В 1991 году компания Stratasys, другой производитель фабрикаторов, предложила технологию FDM (Fused Deposition Modeling), согласно которой трехмерный объект формируется из термопластичного пластика. В принтере пластик нагревается и выдавливается на поверхность из подвижной печатающей головки. Как и в случае стереолитографии, печать идет послойно, но тут есть тонкости: чтобы незатвердевшие детали объекта не прогибались, иногда попутно из растворимого материала выстраивают поддерживающие элементы. Когда все готово, ненужные подпорки просто смывают. Устройства на основе технологии FDM дешевле стереолитографии; правда, и точность, которую они способны обеспечить, значительно ниже.

Год спустя компания DTM, затем слившаяся с 3D Systems, продемонстрировала первое устройство на основе технологии SLS (Selective Laser Sintering). Она сходна со стереолитографией, но вместо жидкого фотополимера в ней используется разогретый порошок, который луч лазера спекает в слои нужной формы. Преимущество SLS-принтеров в том, что они позволяют печатать предметы из самых разнообразных материалов, от воска до стали.

В 1996 году компания Z Corp выпустила трехмерный принтер, использующий технологию 3DP, которая немного напоминает обычную струйную печать. Модель формируется из порошка с гипсовой или крахмальной основой, который склеивается веществом, подаваемым из печатающей головки. Существуют цветные трехмерные принтеры с печатающими головками четырех основных цветов для печати полноцветных объектов. Правда, разрешение и прочность получающихся моделей относительно невелика. Чтобы сделать отпечатанные на принтерах Z Corp объекты прочнее, их окунают в специальный состав.

Стоит упомянуть еще по меньшей мере о двух технологиях. Первая называется LOM (Laminated Object Manufacturing): машина вырезает, а затем склеивает слои из бумаги, фольги или другого листового материала. Вторая — EBM (Electron Beam Melting) — позволяет печатать прочные объекты из титановых сплавов. Для большинства других методов прочность — это больной вопрос. Список материалов, которые годятся для трехмерной печати, не особенно велик, и полученные пластиковые детали во многих случаях не подходят для изготовления механизмов; с электроникой современные фабрикаторы тоже пока не ладят.

Несмотря на все недостатки, стоят трехмерные принтеры очень и очень дорого. Самый шик — лазерные принтеры: к примеру, на стереолитографический аппарат Viper SLA фирмы 3D Systems, с виду похожий на холодильник, пришлось бы потратить никак не меньше 180 тысяч долларов. Это еще пустяки: существуют фабрикаторы, стоящие под миллион долларов. Несколько демократичнее цены на принтеры Z Corp — самая дешевая модель обойдется в 15 тысяч долларов.

Самореплицирующийся трехмерный принтер RepRap

Впрочем, цены постепенно падают, и, по мнению экспертов, результата не придется долго ждать. Аналитическое агентство Gartner прогнозирует, что количество фабрикаторов, используемых в бизнесе и хозяйстве, к 2011 году вырастет в 75 раз и составит 300 тысяч штук. Для сравнения: за весь 2007 год, по данным фирмы Wohlers Associates, в мире было продано меньше четырех тысяч трехмерных принтеров. Экономический кризис этому рынку нипочем — он продолжает расти и, согласно оптимистичной оценке компании NextGen Research, к 2013 году достигнет величины 782,6 млн долларов.

ПОЛЕЗНЫЕ ССЫЛКИ

3Dsystems.com — сайт компании 3D Systems, пионера 3D-печати

zcorp.com — официальный сайт Z Corp., одного из лидеров на рынке 3D-печати

objet.com — сайт компании Objet, выпускающей профессиональные 3D-принтеры

desktopfactory.com — сайт разработчиков самого дешевого 3D-принтера

shapeways.com — массовый веб-сервис, предоставляющий услуги 3D-печати

invent3D.ru — российская компания, занимающаяся 3D-печатью на заказ

figureprints.com — 3D-печать персонажей World of Warcraft

sporesculptor.com — 3D-печать объектов из игры Spore

reprap.org — официальный сайт проекта RepRap

fabathome.org — официальный сайт проекта Fab@Home

candyfab.org — любительский 3D-принтер, использующий в качестве материала сахар

contourcrafting.org — технология 3D-печати строений, разрабатываемая при поддержке Caterpillar

cba.mit.edu — сайт исследовательского центра Нейла Гершенфельда

fab.cba.mit.edu — сайт программы Fab Lab

ted.com/talks/neil_gershenfeld_on_fab_labs.html — выступление Нейла Гершенфельда

 

ФАБРИКАТОРЫ — РАБОЧИМ!

Подобные прогнозы мало волнуют доктора Адриана Боуэра из Университета Бата в Великобритании. Если его затея выгорит, то все подсчеты аналитиков пойдут насмарку (впрочем, на такой успех он не рассчитывает). Боуэр разрабатывает фабрикатор под названием RepRap, способный к саморепликации. Проще говоря, объект, который может изготовить сам себя, или, как минимум, почти все детали для сборки своей же копии. Себестоимость RepRap составляет около пяти сотен долларов, то есть, по меркам рынка трехмерной печати, сущие копейки.

Гершенфельд сравнивал фаблабы с PDP-11 и другими популярными мини-компьютерами, которые в свое время имелись в каждом американском университете. Если развить эту аналогию, то RepRap — что-то вроде первых самодельных персоналок, которые энтузиасты паяли из раздобытых где-то микросхем. В семидесятые годы Боуэр и сам был одним из тех энтузиастов.

RepRap не похож на своих «прилизанных» коммерческих собратьев. Внешне он смахивает на небольшую этажерку, наспех собранную из металлических труб. Вдоль шаткой конструкции вьются провода, свисающие с обнаженных печатных плат. Красивым его никак не назвать, функциональность RepRap тоже не впечатляет. Но, знаете ли, Apple 1 тоже был неказист по сравнению с серьезными компьютерами той поры. Не в этом дело.

Проект RepRap начался в 2004 году. Боуэр сразу решил организовать его по тем же принципам, которые используются при разработке Linux, и публиковать все чертежи, все данные и все программы под свободной лицензией. Устройство заработало лишь к осени 2006 года — в сентябре фабрикатор впервые успешно напечатал одну из деталей. Это было достижение, но понадобилось еще полтора года, чтобы довести все до ума. В начале 2008 года наконец было объявлено о готовности RepRap 1.0, а еще через пару месяцев сообщения об изготовленных с его помощью предметах посыпались как из рога изобилия.

29 мая 2008 года произошла первая полная «репликация» RepRap: аппарат изготовил почти все детали, необходимые для сборки собственной копии, кроме разве что электроники и кое-каких мелочей вроде гаек (ни с тем ни с другим он пока не справляется). К сентябрю было известно о существовании сотен фабрикаторов RepRap по всему миру, а в ноябре Боуэр узнал о первой успешной репликации устройства за пределами своей лаборатории.

Первая версия RepRap («Дарвин») основана на тех же принципах, что и большинство других фабрикаторов: устройство наносит плоские слои материала один за другим, пока из них не получится нужный трехмерный объект. На вертикальных направляющих «этажерки» держится стол с изготавливаемой моделью, а над ним движется печатающая головка, которая выдавливают на поверхность струйку жидкого поликапролактона — пластика, плавящегося при температуре 60 градусов. Когда очередной слой готов, шаговый двигатель опускает стол на долю миллиметра вниз — и так раз за разом.

Новая модель фабрикатора («Мендель»), если все пойдет по плану, сможет наносить электропроводники и станет требовать меньше деталей «извне». Кроме того, Боуэр надеется заменить материал, который используется для печати, на полилактидную кислоту. В отличие от поликапролактона, ее нетрудно изготовить из крахмала даже в домашних условиях — для этого нужен только бродильный аппарат, а уж его-то RepRap изготовит без всяких проблем.

Нейл Гершенфельд заведует в МТИ исследовательским центром, где ведутся исследования в области нанотехнологий, квантовых вычислений и персональной фабрикации

И вот тут-то становится понятнее подлинный замысел Боуэра. По его мнению, многие люди предпочтут самостоятельное изготовление вещей привычным товарно-денежным отношениям. Человек, у которого есть хотя бы простой фабрикатор и мешок картошки, чтобы сделать крахмал, меньше зависит от прихотей экономики. Предметы, которые ему приходилось покупать, он станет печатать себе совершенно бесплатно — поначалу лишь самые примитивные, но и они тоже важны. Кто станет покупать, к примеру, дверные ручки, если их можно получить задаром? Никто, а значит, рынок дверных ручек ждет гибель, и вот это уже не шутки.

Впрочем, первым погибнет рынок фабрикаторов, потому что если один фабрикатор можно использовать для того, чтобы сделать другой совершенно бесплатно, то кто же станет платить? Даже если кто-то попытается удержать этот процесс в узде, то в итоге рынок все равно сведет цену к нулю. Мы уже знаем, как это бывает, — достаточно вспомнить бесполезные потуги звукозаписывающих компаний справиться с файлообменными сетями и пиратством.

Не зря девиз проекта — «Достаток без денег», а объяснение его философии на сайте RepRap начинается с цитаты из «Манифеста коммунистической партии» про пролетариат, лишенный средств производства. Вернуть их пролетариату с помощью прописанной Марксом революции, как показал XX век, не вышло, зато, как не без ехидства замечает Боуэр, это вполне реально с помощью самореплицирующихся фабрикаторов.

 

КАЖДОМУ ПО ПОТРЕБНОСТЯМ

Технологии трехмерной печати, еще недавно знакомые лишь немногим, на глазах становятся доступными простым смертным. RepRap и фаблабы — лишь часть общей тенденции. Проект Fab@Home похож на RepRap, хотя и менее амбициозен. Его цель — разработка фабрикатора, который нетрудно собрать в домашних условиях. Требуемые для него материалы стоят несколько дороже, и к тому же он не годится для саморепликации, но у него есть другие достоинства. С другой стороны, стремительно дешевеют даже коммерческие трехмерные принтеры. В 2009 году компания Desktop Factory планирует выпустить фабрикатор, который будет печатать объекты из смеси нейлона, алюминия и стекла. Стоимость устройства будет составлять около 5000 долларов.

Фирмы, предоставляющие услуги трехмерной печати, появились не так давно, но они уже привлекают внимание не только ученых и специалистов. Прошлым летом голландская компания Shapeways, которая отпочковалась от Philips, стала принимать заказы на трехмерную печать; изготовленные модели доставляются по почте в течение десяти дней, а цена, как правило, составляет от 50 до 150 долларов. В России похожий сервис предоставляет питерская компания «Инвент», печатающая на принтере Z Corp ZPrinter 510 архитектурные макеты, сувениры и даже модели игровых персонажей. Стоимость зависит от количества потраченных материалов: от 35 рублей за кубический сантиметр.

Принтер Fab@Home

Печать игровых персонажей — это отдельный и, похоже, процветающий вид бизнеса. Компания Figureprints изготавливает на фабрикаторах точные копии персонажей многопользовательской игры World of Warcraft. Фигурка обходится в солидную сумму — 130 долларов, — но выглядит в точности так же, как на экране. Для игры Spore ее разработчики открыли подобный сервис сами. За пятьдесят долларов можно распечатать любое существо, сооруженное с помощью прилагающегося к Spore конструктора. Ограничения накладывает лишь физика реального мира: огромная голова, прекрасно смотревшаяся в игре, в действительности может и не удержаться на чересчур тоненькой шейке.

Для чего еще нужна трехмерная печать? Вопрос на миллион. Трехмерная печать применяется в медицине и авиапромышленности, ее используют конструкторы и дизайнеры для изготовления прототипов, причем не обязательно технических; скажем, компания Timberland моделирует на принтере Z Corp новую обувь. Фабрикаторы помогают художникам — скульпторам и аниматорам: к примеру, все куклы в «Каролине» Генри Селика напечатаны на принтере Objet RP Polyjet. А вот как будут применяться подешевевшие персональные фабрикаторы, пока не ясно.

Польза многих важных изобретений стала очевидна не сразу. Нужны ли персональные компьютеры? Тридцать лет назад ответ на этот вопрос был вовсе не очевиден. Взять, к примеру, полиграфистов: в тот момент они прекрасно обходились без вычислительных машин и, скорее всего, не могли и вообразить, что появление ПК, недорогих принтеров (обычных, конечно, а не трехмерных) и программ для компьютерной верстки приведет к перевороту в издательской индустрии.

Трехмерный принтер Desktop Factory считается недорогим: он стоит меньше 5000 долларов

Даже ограничения фабрикаторов, которые сейчас кажутся совершенно непреодолимыми, на самом деле не так уж важны, потому что конструкторы научатся их обходить и использовать. RepRap — это, видимо, первое устройство, спроектированное специально для фабрикации. Но чтобы по-настоящему переосмыслить привычные предметы, потребуется опыт и инструменты, которые лишь начинают появляться. Простые утилиты, автоматически подготавливающие трехмерные модели к печати, уже существуют. Они добавляют полости и ребра жесткости, без которых сложные объекты легко сломаются, и заботятся о мелочах, незаметных людям без инженерного опыта. Следующий шаг — создание специализированных трехмерных редакторов, понятных неподготовленным пользователям. Их прототипом может служить конструктор из игры Spore: даже самая неудачная модель, составленная в нем, выглядит как работа профессионала.

 

СВЕТЛОЕ БУДУЩЕЕ

Сейчас с помощью фабрикаторов нельзя изготавливать электронику, но этот недостаток, вероятно, будет побежден совсем скоро. Способ наносить на поверхность плоские транзисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и прочие электронные компоненты был придуман в Университете Калифорнии в Беркли еще пять лет назад. Другие исследователи экспериментируют с самыми неожиданными материалами для печати, от живых клеток до глины и карамели, а известный производитель строительной техники Caterpillar финансирует разработку гигантского фабрикатора, способного изготавливать из бетона целые дома.

Тем временем кустарное производство снова входит в моду. Десять лет назад, когда строился World Wide Web, главным печатным органом Кремниевой долины слыл журнал Wired; теперь ему на смену пришел Make издательства O'Reilly, пишущий о самодельных роботах и хакерах-«железячниках». Итальянская фирма Arduino штампует дешевые микроконтроллеры для самодельных гаджетов, проекты которых публикуются на Instructables, а сайт Etsy, на котором дизайнеры торгуют одеждой и поделками собственной работы, ко всеобщему удивлению, выбился в мейнстрим. Выходит, что не за горами время персональной фабрикации.

Создатель RepRap Адриан Боуэр

Разумеется, у монеты есть и обратная сторона. Даже если утопические выводы Боуэра не имеют ничего общего с реальностью, появление персональных фабрикаторов растормошит отрасли, которые не менялись уже лет двести. Это еще не все: можно не сомневаться, что на гипотетическом The Pirate Bay для реальных предметов быстро появятся программы, печатающие оружие, если не что-нибудь похуже. Так что врагов у новой промышленной революции окажется предостаточно — иначе и быть не может. Но даже им придется приспособиться — или проиграть.

Со временем для производства любых предметов будут использовать нанофабрики — системы нанороботов, умеющих строить макрообъекты из атомов примерно тем же способом, каким РНК в живых клетках строят белки

В 1991 году компания Stratasys предложила технологию FDM (Fused Deposition Modeling), согласно которой трехмерный объект формируется из термопластичного пластика

Технология EBM (Electron Beam Melting) позволяет печатать прочные объекты из титановых сплавов

29 мая 2008 года произошла первая полная «репликация» RepRap: аппарат изготовил почти все детали, необходимые для сборки собственной копии, кроме разве что электроники и кое-каких мелочей вроде гаек

Девиз проекта RepRap — «Достаток без денег», а объяснение его философии на официальном сайте начинается с цитаты из «Манифеста коммунистической партии»

Трехмерная печать применяется в медицине и авиапромышленности, ее используют конструкторы и дизайнеры для изготовления прототипов

Для игры Spore разработчики открыли сервис воспроизводства персонажей. За пятьдесят долларов можно распечатать любое существо в 3D, сооруженное с помощью прилагающегося к Spore конструктора

На стереолитографический аппарат Viper SLA фирмы 3D Systems, с виду похожий на холодильник, пришлось бы потратить никак не меньше 180 тысяч долларов. Это еще пустяки: существуют фабрикаторы, стоящие под миллион долларов

 






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.