Первый автомобиль, напечатанный на 3D-принтере
На вид это скромный транспорт, эдакий подросший карт. Потребляющая ток напряжением 48?? В силовая установка вместе с трансмиссией прикручена болтами к алюминиевой раме. Сиденья напечатаны вместе с кузовом и дополнительно снабжены мягким покрытием. Машина по имени Strati выглядит как незаконнорожденный отпрыск инопланетного ровера, однако Джон Роджерс, сооснователь и глава компании Local Motors, специализирующейся на мелкосерийных автомобилях, считает, что его прототип можно назвать революционным транспортом будущего: простым, легким, недорогим и в высшей степени персонализированным.
Одной из самых больших проблем стало отсутствие принтера нужных размеров. Чтобы решить ее, Local вступила в партнерство со станкостроительной компанией Cincinatti, Национальной лабораторией Oak Ridge, принадлежащей министерству энергетики США, и научно-техническим центром в Ноксвилле, штат Теннесси. Все вместе они разработали новый принтер — как раз под размер автомобильного кузова. Попутно они думали над новым подходом к непосредственному цифровому производству.
«До сих пор с помощью 3D-принтеров пытались имитировать конструкции, выполненные традиционными способами, — говорит Роджерс. — То есть печатать детали, которые имеют законченный вид. А мы считаем, что не стоит заставлять 3D-принтер делать всю работу. Пусть он быстро создаст деталь, а там, где ее надо дообработать, можно применить станок». Идея состоит в том, чтобы печатать из усиленного карбоном пластика сразу весь корпус, который будет одновременно и шасси, и кузовом. Все остальное — подвеска, колеса, мотор и батарея — крепится к этой основе.
Автомобиль Strati был впервые представлен на промышленной выставке в Чикаго в сентябре этого года, а уже в первых числах октября в Москве на международной конференции Autodesk University Russia 2014 нам удалось поговорить с Джорданом Брандтом, человеком, задача которого — оценить перспективы развития технологий 3D-печати. Он сотрудник компании Autodesk, являющейся мировым лидером в создании программных средств 3D-проектирования, а в настоящее время активно занимающейся «софтом» для 3D-печати.
Интервью: Олег Макаров
ПМ: Известно, что 3D-печать сейчас используется в НИОКР, а также для нужд технических хобби. Будет ли эта технология активно применяться в промышленности?
ДЖ.Б.: Я считаю, что роль 3D-печати в промышленности недостаточно известна широкой публике. В последнее десятилетие случилось много такого, что изменило методы производства под влиянием этой новой технологии. Например, компания Boeing уже более десяти лет использует напечатанные детали на своих военных самолетах. Но более важно то, что аддитивные технологии расширяют возможности традиционных процессов. И тому есть прекрасный пример — пластмассовое литье под давлением. Этим способом изготавливается множество окружающих нас предметов, например корпуса для смартфонов и планшетов. В классическом варианте в металлическую форму впрыскивается расплавленная пластмасса, затем форма остывает, деталь извлекают, и все повторяется снова. Этот процесс постоянно пытаются ускорить, но есть одно важное препятствие — форма с изделием остывает медленно. Теперь придумали печатать металлические формы на 3D-принтерах, и стало возможным создавать внутри форм крошечные каналы. Когда пластик закачан внутрь, через эти каналы пропускается холодная вода, и деталь остывает намного быстрее. Так удалось поднять производительность предприятий на целых 40%.
ПМ: Какие еще промышленные технологии на базе 3D-печати сейчас внедряются?
ДЖ.Б.: Происходят очень интересные вещи. Если раньше 3D-принтерами занимались стартапы, которые развивали производство с нуля и ничего другого не делали, то сейчас в отрасль приходят компании, десятилетиями выпускавшие промышленное оборудование. У них есть опыт создания надежных машин. Например, появляются станки с ЧПУ, соединяющие в себе традиционную технологию фрезерования с аддитивной технологией, технологией 3D-печати. С помощью принтера можно создать общий контур детали (3D-печать пока не может соперничать в точности с традиционными технологиями мехобработки), а потом дополнительно обработать поверхность фрезой там, где это необходимо. Таким путем пошли конструкторы из Local Motors, которые при создании своего автомобиля Strati использовали программную платформу Spark от Autodesk. Они исходят из того, что далеко не каждая поверхность в автомобиле должна быть идеально обработана. Машинная обработка может применяться «точечно», там, где это действительно необходимо.
ПМ: Совмещение двух технологий — это дешевле или быстрее?
ДЖ.Б.: И быстрее, и позволяет избежать лишних расходов. При традиционной инструментальной обработке металлической детали (фрезерование, сверление и т.?д.) до 90% металла из заготовки может уйти в отходы. Но если сама заготовка, напечатанная на 3D-принтере, уже имеет заданную форму, то при мехобработке количество отходов будет сведено к минимуму. Возьмите титановое производство — Россия здесь, кстати, в мировых лидерах. Обрабатывать титан на станках долго и дорого, а главное — потом трудно утилизовать большое количество отходов. Казалось бы — в чем проблема? Берем стружку и переплавляем ее обратно в слитки. Но из-за процессов окисления сделать это нелегко, нужны сложные и дорогие технологии. Один из крупнейших поставщиков деталей для аэрокосмической индустрии, компания GKN Aerospace, выводит в отходы около 1400 т титановой стружки в год. И знаете, какой у них основной метод утилизации? Стружку добавляют в асфальт для укрепления дорожного покрытия. Поэтому задача снижения количества титановых отходов сейчас крайне актуальна, и в этом помогут технологии 3D-печати.
ПМ: Есть ли надежные технологии печати титановых деталей?
ДЖ.Б.: Да, это лазерное наплавление с помощью титановой проволоки или порошка. Технология наплавления с титановой проволокой очень перспективна. Смысл ее в том, что на роботизированную головку постоянно подается тонкая проволока из титана, лазер ее плавит, и капелька металла наплавляется точно в заданном месте создаваемой детали. Таким способом можно создавать весьма объемные детали. И отходы при дальнейшей механической обработке составят не 90, а, скажем, 2%. Можно считать, что 3D-печать приходит на место ковки и литья. Но возможности новой технологии намного превышают возможности традиционных.
ПМ: И какие это новые возможности?
ДЖ.Б.: Человеческая природа устроена так, что, когда появляется новая технология, мы стараемся сначала делать то, что мы делали раньше, но только новым способом. Именно это происходило в нашей области в последнее десятилетие. Мы брали старые идеи и пытались воплотить их на 3D-принтерах. А вот сейчас наступает время, когда мы создаем конструкции, которые с помощью старых технологий никогда не делали. Можно, например, целиком напечатать деталь с закрытыми внутренними полостями или движущимися частями внутри как единое целое, не прибегая к сборке. Или напечатать материал, который будет вести себя особым образом. Вот сейчас в знаменитой Лоуренс-Ливерморской лаборатории в Калифорнии создают так называемые материалы с заданной архитектурой. Например, металлические сплавы с отрицательным коэффициентом теплового расширения. Если деталь из такого металла нагреть, она сожмется, охладить — она расширится. Ничего подобного еще не было в истории. Возьмем, например, оптику, установленную на космических аппаратах. Ее физические параметры должны иметь высокую точность, но из-за резких температурных перепадов (жар при освещении солнцем и мороз в тени) линзы меняют форму. Сейчас проблема решается с помощью высокоточных корректирующих механизмов и электромоторов, но в будущем все это, возможно, не понадобится — достаточно будет особых свойств оптического стекла. Можно создавать градиентные материалы. Представим себе одну деталь, без соединений и стыков, на одном конце которой будет твердая высокоуглеродистая сталь, на другом — мягкий алюминий, а в середине что-то промежуточной твердости. Возможностей очень много, но их можно реализовать только на основе аддитивных технологий, вводя в состав материала крошечные капельки веществ с разными свойствами.
ПМ: Как 3D-печать изменит логистику промышленности?
ДЖ.Б.: Сейчас стало известно, что UPS, крупнейшая почтово-транспортная компания, открывает в США сеть мастерских с 3D-принтерами. В этом есть своя логика — не обязательно что-то пересылать с одного конца мира на другой, когда это можно сделать на месте. Конечно, простые дешевые товары, которые делаются в больших объемах, не будут изготавливаться с помощью 3D-печати. Но вот цифровые устройства, детали бытовой техники, запчасти к автомобилям и самолетам вполне могут перейти на новые технологии. Тогда изменится вся мировая производственная инфраструктура. Это будет распределенная система, где производство окажется гораздо ближе к потребителю. Недавно консалтинговая фирма McKinsey обнаружила, что, когда компания решает, где ей производить товар, у нее есть два основных мотива: близость к потребителю и к инновационным системам доставки. А вовсе не там, где дешевле рабочая сила. Китайская компания Foxconn, известная, в частности, производством продукции Apple, строит свой новый завод в Индонезии. Не потому, что там ниже зарплаты у рабочих, — они ниже, но ненамного, и это не главное. Просто Индонезия — это тот рынок, который Foxconn намерена сейчас осваивать. То есть тренд имеется, а 3D-печать только усилит его. Строительство крупных фабрик влечет за собой большие капитальные расходы, и создавать систему небольших распределенных производств на базе 3D-печати может оказаться экономически выгоднее, особенно если учесть сокращение расходов на доставку товара потребителю.
ПМ: Тогда, может быть, вообще печатать все, что нужно, дома?
ДЖ.Б.: Думаю, через десять лет в развитых странах половина семей будет иметь по принтеру. Это не значит, что надо печатать все подряд. Тут как с микроволновкой: она у вас есть, но вы же не готовите на ней всю еду, а что-то варите на плите, что-то запекаете в духовке. Окна и двери дома печатать не нужно, а вот цифровые устройства типа смартфонов лет через 15 мы вполне сможем распечатывать у себя. Если, конечно, смартфоны сохранятся в виде, близком к нынешнему. Сможем покупать особый дизайн для этих устройств, сможем создавать его сами.
ПМ: А не приведет ли распространение домашних 3D-принтеров к увеличению количества бытового мусора?
ДЖ.Б.: Думаю, к тому времени любой товар будет проектироваться с учетом полного жизненного цикла. Если вы что-то печатаете, вы будете точно знать, как это будет повторно использовано или переработано. Особенно легко перерабатывать несмешанные материалы. Например, если ваша вещь вам надоела или сломалась, вы сможете зайти в соседний магазин и бросить ее в специальный измельчитель типа шредера. Кроме того, я полагаю, что когда люди будут сами участвовать в производстве, то и созданные у себя дома вещи будут больше ценить.