Утопия в 3D. Как уральское завтра печатают на принтере

Двадцать лет назад на экраны вышел фильм «Пятый элемент», в котором очаровательную спасительницу человечества за несколько минут «печатает» футуристический робот, основываясь на данных инопланетной ДНК. Уральские специалисты по аддитивным технологиям уверяют, что воссоздать живой организм — действительно дело недалекого будущего, для этого не обязательно ждать 2263 года, в котором разворачивается действие киноленты. И даже то, что делается уже сейчас, впечатляет. Школьники, выращивающие растения на гидропонике и создающие роботов для их перевозки, титановые имплантаты, которые делают индивидуально под конкретного человека, здания, напечатанные из бетона, — обывателю все это кажется синопсисом к фантастическому роману. На самом деле, как уверяют специалисты, аддитивные технологии становятся обыденностью и через несколько лет довольно прочно войдут в повседневную жизнь и станут частью производственных процессов.

A kind of magic

На запрос «3D печать в Екатеринбурге» Яндекс выдает два десятка компаний, которые за сходную цену предлагают эту услугу. 3D-модель создают «с нуля» по запрошенным параметрам или с помощью специального сканера снимают цифровую копию с какой-то вещи. Потом ее производят из различных полимерных материалов, дерева, бумаги, металлов и даже шоколада. Таким образом можно напечатать игрушку, сувенир по индивидуальному заказу, сделать 3D-селфи — уменьшенную копию человека. С помощью 3D печати предлагают решить и более приземленные проблемы — например, отпечатать редкую деталь для швейной машинки, автомобиля или какого-нибудь другого домашнего агрегата. Стоимость создания цифровой модели будущего изделия зависит от сложности и начинается от 500 руб., один грамм готового изделия — от 100 руб.

 

Приобщиться к миру аддитивных технологий может практически любой горожанин: недорогой бытовой 3D принтер (от 15 тыс. руб.) и расходный материал можно приобрести как в появившихся в последние годы специализированных магазинах, так и в обычных гипермаркетах, где продается техника.

«Мы продаем в среднем по одному принтеру в неделю. Естественно, чаще берут бытовые аппараты, но львиную долю выручки делают профессиональные и промышленные машины: один промышленный 3D-принтер может стоить как тысяча бытовых, — рассказывает DK.RU директор компании «ЭНИКОН» Алексей Перетрухин, — хотя рынок пока только начинает складываться. Технологии пришли в Россию не вчера, промышленные предприятия получили 3D-принтеры лет десять назад, однако реально пользоваться ими начинают только в последние пару-тройку лет. Мы несколько лет занимаемся внедрением аддитивных технологий и 3D-оборудования на территории УрФО. Промышленные 3D-принтеры покупают предприятия различных отраслей — от ювелирного производства до тяжелого машиностроения».

С ним согласен Алексей Лабырин — начальник коммерческого отдела регионального инжинирингового центра, созданного в 2013 г. при содействии свердловского Минпрома и промышленных предприятий на базе УрФУ. За четыре года специалисты инжинирингового центра выполнили сотни заказов в сфере аддитивных и лазерных технологий, разработали собственные 3D-принтеры и расходные материалы к ним.

По словам г-на Лабырина, сейчас реально заработать только на интересе к 3D-печати: на обучении, на «волшебстве» нестандартной технологии, на приобщении «к будущему», хотя аддитивные технологии могут быть весьма востребованными и в производстве. Они позволяют получить нужную деталь очень быстро, минуя многие технологические переделы (разработал модель — напечатал образец), создавать изделия практически любой формы, выпустить без производственной линии мелкую серию или вообще один объект, и, что немаловажно, — они обладают более высоким качеством.

В региональном инжиниринговом центре работают над проектами по восстановлению костной ткани. Есть опыт внедрения аддитивных технологий в медицине. Фото: пресс-служба УрФУ

Тормозят развитие новых технологий в промышленности несколько факторов: высокая цена на оборудование и расходные материалы (и, как следствие, высокая себестоимость изделий) и отсутствие законодательных нормативов. Кроме того, при всех своих преимуществах аддитивные технологии подходят далеко не для всякого производства. 

Непечатный стандарт

На Уральских предприятиях уже применяют 3D-технологии: полтора года назад на «Уралвагонзавод» поступила трехмерная производственная система Fortus 400mc. Новыми технологиями интересуются и занимаются НПО автоматики, КБ Новатор, ЗИК. Только у регионального инжинирингового центра — полторы сотни постоянных клиентов, для которых по индивидуальному заказу делают прототипы и изделия, которые используются в производстве.

«Скоро мы весь Екатеринбург завалим прототипами, напечатанными на 3D-принтере. Но, к сожалению, дальше эти технологии развиваться не будут, если не принять стандартов работы в сфере аддитивных  технологий. Ни один конструктор не пропишет выполнение конструкции методом аддитивных технологий, и ни один технолог не возьмется воплотить это в жизнь до тех пор, пока на федеральном уровне не будет утвержден хотя бы один документ, подтверждающий, что такая технология в России есть и ее можно применять в соответствии с такими-то правилами. Вообще, отраслевой стандарт по этим технологиям должен был появиться еще до конца прошлого года, однако его до сих пор нет. В Америке, например, эта сфера так активно развивается потому, что там лет пять как минимум есть правила, по которым можно применять 3D-печать в производстве», — уверяет Алексей Лабырин.

К отсутствию стандартов прибавляется стоимость 3D-печати: как любая новая технология, она делает изделие необоснованно дорогим — и применять ее можно только в производстве с высокой себестоимостью конечного  продукта.

Казалось бы, очевидный запрос на 3D-продукцию должны посылать строители, но девелоперы и застройщике в большинстве своем считают эту технологию слишком дорогой и инновационной для достаточно консервативной отрасли. Большинство участников опроса, проведенного DK.RU в 2014 г., высказались за то, что аддитивные технологии будет невозможно эффективно применять в строительстве.

Торт из бетона

Впрочем, Ринат Брылин, директор Екатеринбургского цементного завода, спустя три года готов применить 3D-технологии в сфере малоэтажного строительства. Технологию он обкатал на башне замка из «Игры престолов», которую летом прошлого года напечатал с помощью 3D-принтера на территории своего завода, в мае собирается установить в Артёмовском районе бетонную копию истукана с острова Пасхи, а летом — напечатать одноэтажный жилой дом. Для этого он планирует к маю модернизировать 3D-принтер, с помощью которого строили уральский Винтерфелл. Новая машина, как уверяет владелец замка, будет фактически роботом для малоэтажного строительства.

В прошлом году в Свердловской области напечатали свой Винтерфел. Фото: личный архив Рината Брылина

«Принтер, с которым мы сейчас работаем, позволяет делать многие архитектурные объекты, но эта машина довольно громоздкая, и чтобы перевозить ее с места на место, приходится полтора дня разбирать, а после перевозки —  2-3 дня собирать и отлаживать. Новый аппарат будет более удобным и технологичным. Состав бетонной смеси мы уже отработали на нашем пробном строении — замковой башне. Ведь в данном случае это должна быть не просто смесь бетона и песка, а масса, обладающая определенными характеристиками, которая быстро схватывается и хорошо держит форму», — рассказал г-н Брылин.

Процесс «печати» дома напоминает украшение торта кремом: 3D-принтер двигается по координатам согласно заложенной в программе картинке и выдавливает слой за слоем бетонную смесь. В бетонную смесь сразу же «впечатываются» арматура и необходимые трубы инженерных коммуникаций.

Процесс 3D-печати бетоном напоминает украшение кремового торта. Фото: E1

Предприниматель уверяет, что оборудование при полной его загрузке окупится за два сезона, а строительство с помощью 3D-принтера будет не дороже традиционных технологий. Он собирается добиться того, чтобы квадратный метр здания, построенного по новой технологии под черновую отделку, не превышал 10 тыс. руб. 

«У аддитивных технологий я вижу три плюса. Первый — цена. Я намерен добиться того, чтобы семья на материнский капитал могла купить небольшой домик.  Второе — сроки. 3D-принтер в состоянии возвести 50 «квадратов» коробки за сутки. И третье — архитектурное решение. Принтер может реализовывать такие вещи, которые при использовании традиционных технологий невозможны или очень дороги. Например, захотел я дом по фэн-шую — без углов — и напечатал», — отмечает г-н Брылин.

Революция на пороге

Пока на федеральном уровне думают об отраслевом стандарте, а бизнесмены спорят о том, можно ли внедрить аддитивные технологии в производственный процесс, 3D-печать, лазер и робототехнику осваивают школьники и студенты, которые спокойнее взрослых относятся к наступившему завтра. Одна из первых в Екатеринбурге лаборатория робототехники и 3D-моделирования появилась на базе НПО автоматики. Школьники и студенты занимаются в ней бесплатно, не только осваивая новые технологии, но и приобретая умение работать над проектами.

«Разработать модель с помощью специальных компьютерных программ — не так уж сложно», — уверяет Анатолий Гармашов. Фото: Игорь Черепанов, DK.RU 

«Мы проводим базовые занятия по робототехнике для младшеклассников, а для ребят постарше — проектное обучение. Школьник разрабатывает проект, я знакомлю его с консультантами, и они совместно его реализуют. У нас сейчас работают четыре консультанта, которые имеют собственные проекты мирового уровня, школьники общаются с ними, советуются, а лаборатория предоставляет базу, возможность пользоваться 3D-принтером,  закупает необходимую для проектов электронику. Никто не будет спорить, что система школьного обучения, равно как и принцип советской инженерной школы катастрофически отстают от требований современного мира, хотя собственно технологии сейчас доступны почти любому школьнику: 3D-принтеры есть почти в каждой школе», — объясняет  основатель центра Анатолий Гармашов.

А вот уровень развития и использования технологий, как уверяет директор центра, на Урале вполне сопоставим с Европой.

«Прежде, чем его открывать, я побывал во Франции, Германии, Австрии. Мы по уровню технологий даже, пожалуй, обгоняем Европу, хотя и отстаем от США: там все это куда более развито», —  отмечает он.

Результаты своих проектных разработок школьники представляют на Семихатовских чтениях, всевозможных городских конкурсах, задания для которых впечатляют обывателя. Например, к конкурсу, который пройдет в конце апреля, школьники должны будут вырастить растения на гидропонике, напечатать для них на 3D-принтере контейнеры и потом переместить их по определенному маршруту с помощью роботов.

Проектное обучение специалисты лаборатории сейчас вводят в УрФУ: студенты в проектных командах решают реальные задачи, поставленные инвесторами, учатся не только создавать что-то, но и представлять свои проекты обществу, «продавать» их.

«Через три года стоит ждать настоящей технологической революции: аддитивные технологии, робототехника становятся обыденными, инфраструктурными вещами, растет количество одарённых школьников и студентов, которые умеют с ними работать, и году к 2020 количество перерастет в качество», — уверен г-н Гармашов.

Резюмируя

Алексей Лабырин, начальник коммерческого отдела регионального инжинирингового центра:

— Основные направления работы нашего центра — лазерные и аддитивные технологии. Это напрямую связанны друг с другом направления. Современная 3D-печать стала возможной, прежде всего, благодаря тому, что человек научился управлять светом и извлекать из него необходимые свойства, возникающие в зависимости от длины волны, интенсивности излучения и ряда других параметров. Лазер успешно применяют в медицине, косметологии, в обработке материалов, им можно резать, точить, сплавлять. Возможность переносить энергию в конкретную точку позволяет использовать лазер в аддитивных технологиях. Принцип здесь следующий: в заданную компьютерной программой точку приносится необходимая энергия, и материал преобразуется из порошкового или жидкого в твердотельное состояние. 3D-печать по своей сути — это создание объекта слой за слоем, частица за частицей. Человек научился этот процесс контролировать.

Конечно, аддитивные технологии подходят не для каждого производственного процесса. Например, если предприятию регулярно требуются полимерные трубы диаметром 300 мм, то лучше найти соответствующего поставщика или запустить традиционную производственную линию. Кроме того, стоимость аддитивной технологии — особенно с учетом еще не окупившихся НИОКР — пока выше, чем у традиционного производства. Кроме того, на рынке производителей техники для 3D-печати пока слишком низкая конкуренция, поэтому оборудование и расходные материалы стоят дороже, чем могли бы быть.

Но если вам нужно сегодня получить, условно, отрезок трубы диаметром 30 мм, завтра 50 мм, а уже послезавтра — 300 мм, а еще разместить трубу в трубе, то тут аддитивные технологии действительно могут помочь. С их помощью можно очень быстро отпечатать любое изделие с высокой точностью и сэкономить на поиске и доставке нужной детали. Особенно, если ее производят, к примеру, только в Норильске и доставка возможна только через полгода и крупнооптовой партией.

Еще один плюс объектов, сделанных с помощью 3D-технологий, состоит в том, что у них более совершенная структура, в них не бывает раковин и микротрещин. Мы подаем нужное количество вещества в нужную точку и полностью контролируем этот процесс. Поэтому метод 3D-печати хорошо подходит для работы с титаном, нержавеющей сталью, никелем, кобальтом, хромом — тугоплавкими материалами, которые сложно обрабатывать традиционными методами. 

Распространенные виды 3D-печати