промышленная революция

Космический корабль упал на незнакомой планете. Спасательная команда, прибывшая на место аварии, обнаружила только одного выжившего. Точнее, оторванную руку. Для людей в XXV веке этого будет достаточно. Руку помещают в специальную большую капсулу размером с человека. И постепенно огромный трехмерный принтер начинает строить тело — сначала скелет, потом органы и мягкие ткани, и, наконец, добавит кожи, волос и т.д. Конечный результат – полностью завершенный взрослый человек.

По крайней мере, так все это видел французский режиссер Люк Бессон в научно-фантастическом фильме «Пятый элемент» в уже далеком 1997 году. В то время большинству людей сама идея строительства любого материала таким образом, представлялась немыслимой и далекой. Не говоря уже о создании «совершенного существа», как в фильме Бессона. На самом деле даже тогда 3D-принтеры уже существовали, хотя и в очень примитивной форме, а их использование было ограничено несколькими крупными корпорациями и военными структурами.

Теперь, 18 лет спустя, это устройство уверенно прокладывает свой путь к массовому пользователю. Все больше и больше предпринимателей используют его, чтобы развивать свой бизнес. Другие даже строят всю бизнес-модель на основе этих устройств. Технологически устройства постоянно развивается и позволяет печатать вещи и предметы из большего разнообразия материалов и все более сложных конструкций. В том числе уже делаются первые попытки печати органических, в том числе и человеческих, тканей, хотя и не так эффектно как у Люка Бессона. В обозримом будущем это должно привести к возможности создания полностью функциональных органов, что может вызвать революцию в медицине. Воспроизведение же всего человека все еще слишком фантастическая идея, так что надежды поклонников распечатать Миллу Йовович из «Пятого элемента» пока призрачны.

У технологии 3D-печати все-таки есть потенциал, чтобы перевернуть представление людей о процессе создания большинства предметов, которые нас окружают.

Первый слой

трехмерный принтер

Концепция трехмерных принтеров является относительно простой. Они нуждаются в первичном материале, из которого строится соответствующий предмет – чаще всего пластик или металл. Если обычный принтер печатает страницы, строка за строкой, его трехмерный собрат делает это в объеме и строит заданную модель слой за слоем. Режим работы устройства отличается у различных моделей и классов принтеров и является потенциальной помехой для машин такого типа для повсеместного использования. А уже есть ряд предпосылок того, что последнее действительно произойдет — размер, цена, материал, который может быть обработан, сложность предметов, которые могут быть напечатаны, скорость работы.

Основные компоненты и материалы для развития этого типа технологии и материалы должны укладываться слой за слоем. Большинство 3D-принтеров используют только один вид ресурса – пластик, металл, керамику, дерево или органические компоненты. Чтобы создать более сложное устройство, он должен быть способен использовать несколько видов материалов одновременно в течение одного цикла печати. Основными препятствиями здесь являются характер самих первичных продуктов, а также технология, по которой они складываются. В большинстве случаев используются такие материалы, которые реагируют на строго определенный вид тепла или света, который разжижает их, чтобы затем обработать соответствующим образом.

«Тип материала, который используется — это основная проблема. Затем идет дизайн, так как нынешний предназначен исключительно для традиционного производства», — прокомментировал ситуацию Райко Лицам, болгарский ученый в финском университете Vaasan Yliopisto. Райко и его команда работают в области, которая позволит «печатать» даже роботов с помощью 3D-принтера.

Сочетание двух материалов может расширить спектр готовой продукции, которая печатается. Одним из способов является использование технологии, аналогичной струйным принтерам. Этот процесс впервые был применен Objet (теперь часть Stratasys) семь лет назад и называется PolyJet. Концепция похожа на краску для стен – производится смешивание двух или более базовых материалов в различных пропорциях, и получаются новые материалы с различными характеристиками. Они могут меняться от прочного до гибкого пластика и даже до прозрачной субстанции. Развитие этой технологии позволит трехмерным принтерам производить продукты из нескольких материалов. Например Stratasys Objet500 Connex3 позволяет напечатать полиматериальные продукты из 14 комбинаций материалов с 10 различными цветами (технология PolyJet). Загвоздка в том, что стартовая цена устройства — 330 тысяч долларов.

Использование различных материалов и основ для печати органических тканей. Это уже не часть научной фантастики – такие биопринтеры уже используется некоторыми фармацевтическими компаниями для тестирования продукции. Этот подход напоминает использование двух типов «чернил». Первый — это биологический материал, а второй — специальный гидрогель, который обеспечивает необходимую среду для создания органических клеток и тканей. Команда профессора Дженнифер Льюиз в Гарвардском университете на факультете инженерных и прикладных наук, автора данной технологии, идет еще дальше, печатая маленькие кровеносные сосуды в ткани. Это возможно благодаря третьему типу «чернил», который имеет необычную особенность – он тает, когда застывает. Это позволяет ученым печатать сеть сосудов, а затем растапливать их, оставляя пустоты вместо материала. Жидкость затем всасывается самой смесью и так строится небольшая сеть из полых трубок (или кровеносных сосудов) внутри готовой ткани. Подобное изделие может быть сделано только за счет использования технологии трехмерной печати, который создает новые возможности, выходящие за рамки традиционного производства. Несмотря на прогресс, создание целых органов еще в далеком будущем, потому что они состоят из множества различных слоев ткани и очень сложной системы кровеносных сосудов. Но первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Второй слой

Если первые трехмерные принтеры из 80-х или начала 90-х годов были размером с приличную спальню, сейчас есть уже модели, которые имеют габариты обычного струйного принтера. Цена также падает. Сегодня можно найти 3D-принтеры за несколько сотен долларов.

Однако эти параметры были достигнуты за счет потери производственных возможностей. В большинстве случаев дешевые и компактные модели могут работать только с одним типом материала и не могут создавать больших или сложных объектов. Они медленные и требуют очень высокий уровень обслуживания – не только аппаратного, но и программного. Все вещи, которые необходимы массовому потребителю, проще купить в готовом виде, чем покупать такой принтер домой. В то же время 3D-принтеры высокого класса предлагают полностью автоматизированный процесс, требуют меньше обслуживания и предлагают возможность использовать гораздо больше материалов. Цена лучших моделей варьируется между 6 и 75 тысячами долларов. За счет этого довольно много технических ограничений, которые на них накладывает экономия. Среди наиболее дорогих моделей есть такие, которые 500 и более тысяч долларов — процесс создания продукта на таких машинах занимает от нескольких часов до нескольких дней.

Вследствие этого возник большой технологический разрыв между классами и их возможностями, что тоже является сдерживающим фактором для индустриализации 3D-принтеров. Более дорогие модели начинают использовать крупные корпорации. По данным исследования консалтинговой компании PriceWaterhouse Coopers (PwC), проведенного среди 100 ведущих промышленных производителей, две трети из них пользуются 3D-принтерами для изготовления прототипов элементов и машин. Но, тем не менее, только 2% этих компаний используют новые устройства для производства готовой продукции. Другими словами – все еще предстоит длинный путь, чтобы печать пришла в фабричное производство вместо сборочной линии. Дешевые модели построены на основе системы с открытым исходным кодом и имеют ограниченные возможности, так как они в основном покупаются стартап-компаниями и инженерами-любителями.

Попытки некоторых производителей предложить 3D-принтеры высокого класса по низким ценам на сегодняшний день показывает, что этот вопрос в скором времени все-таки может быть решен и приведет к созданию еще одного сегмента рынка. В прошлом году появились устройства с возможностями, близкими к высокому классу, но по цене ниже 5 тысяч долларов. Таким образом, малые и средние компании смогут приобрести подобные устройства, с помощью которых можно развивать различные свои инновационные бизнес-концепции.

Например, такие принтеры, как FSL3D и Formalbs предлагают высокое качество печати и компактность из-за использования технологии стереолитографии и стоят несколько тысяч долларов. Другим примером является MarkForged, который позволяет делать изделия из композитного материала на основе углеродного волокна. Устройство размером с обычный принтер и стоит меньше, чем 5 тысяч долларов. По оценкам исследовательской компании Gartner трехмерные принтеры с высокими возможностями и качеством будут стоить около 1 тысячи долларов в 2016 году, а в перспективе цена еще снизится, при этом продолжится рост технических характеристик.

Третий слой

В то время как технологии развиваются, а цены постепенно снижаются, третьим фактором при разработке 3D-принтеров стала эволюция самого рынка. До сих пор крупные компании, в основном экспериментировали с этим типом устройств и использовали для быстрого изготовления прототипов и моделей, а не для реального массового производства. Малые и средние компании видят в новых принтерах возможность легко и быстро разрабатывать свои продукты и идеи. Все больше стартапов прибегают к использованию трехмерных принтеров, чтобы создать первые образцы своих устройств или развить бизнес, изготавливая различные предметы с помощью них. Примером может служить компания Arthesis (Болгария), которая разрабатывает индивидуальные протезы с помощью 3D-печати. Популярность этого типа устройств в данном направлении будет расти так же, как и вероятность того, что вы встретите в повседневной жизни продукт, который был «напечатан».

Поэтому и не удивительно, что вероятность выхода на массовый рынок трехмерных принтеров и услуг, предоставляемых с помощью них, в ближайшие годы будет только расти. По данным исследовательской компании Calays в 2013 году объем в этом сегменте был 2.5 млрд. долларов, но в 2018 году ожидается на уровне 16.2 млрд. долларов.

Все эти факторы станут катализаторами идей технологических гигантов, которые доминируют в сфере потребительской электроники, для выхода на этот рынок с собственными устройствами. До сих пор 3D-принтеры высокого класса производили четыре специализированные группы – Object Geometries, Z-Corporation, Stratasys и 3DSystems. В нижнем сегменте разнообразие немного больше, но и там не хватает компаний, которые могут действовать в действительно больших масштабах. Однако в декабре 2015 года Hewlett-Packard и Toshiba объявили, что будут входить в этот новый сегмент и в то же время появились слухи, что Apple также может выпустить собственное устройство.

Первые трехмерные принтеры HP должны появиться в 2016 году, а японского гиганта – в 2017 году. Обе компании отчаянно пытаются найти новые ниши, чтобы вернуть былую славу технологических лидеров. Они прозевали революции мобильных устройств — смартфонов и планшетов, что заставляет их отчаянно искать новые сегменты с высоким потенциалом, с помощью которых можно вернуть прибыль и сильный рост. Их проникновения в сектор 3D-принтеров означает, что инновации в корпоративном сегменте могут увеличить до коммерческого масштаба производство подобных устройств. А также стимулировать рынок среднего класса устройств, которые стоят несколько тысяч долларов, но имеют высокие возможности. Эти факторы могут дополнительно снизить стоимость устройства в целом.

Исходя из вышеперечисленного, складывается впечатление, что основные препятствия на пути массового проникновения трехмерной печати постепенно преодолеваются. Вопрос в том – это все приведет к тому, что в какой-то момент вы будете «печатать» все дома или появятся тысячи мелких предпринимателей, энтузиастов и магазинов, которые будут предлагать изделия на заказ, изготовленные на месте и сразу. Это еще посмотрим, а до тех пор мы можем только отслеживать рост рынка трехмерных принтеров и услуг, которые предоставляются с помощью них. И время от времени пересматривать фильм «Пятый элемент» Люка Бессона. Потому что в более отдаленном будущем не удивлюсь, если люди будут уже не рождаться, а «печататься на принтере».