Вы здесь

Незаметная Стереореволюция ч.1

Главные вкладки

Последнее время появилось немало материалов о стереопечати (3-D печать или принтинг) как о новой революции в производстве. Мнения варьируются от «ничего особенного» до «это полностью изменит мир, печатать всё можно будет в каждом доме, поставив принтер под стулом.» Давайте посмотрим, действительно ли стереопечать – новая это промышленная революция, фантазии досужих журналистов и экзальтированных энтузиастов или нечто промежуточное.

Что такое промышленная революция? Это когда новые технологии меняют саму суть производственных процессов, в результате чего исчезают за ненадобностью целые спектры профессий и отрасли промышленности, а другие резко маргинализируются, занимая ничтожную долю в общей доле производственного процесса. Например, компьютерные технологии практически покончили с работой типографского наборщика, автомобиль и железная дорога покончили с коневодством промышленных масштабов, производством карет, шор и подков. Развитие металлургии и металлообработки привело к исчезновению мастеров корабельных дел, работавших с деревом. Это примеры революции в промышленности.

Есть ли такие качества у стереопечати, которые можно охарактеризовать как «принципиально новые» и закрывающие? Давайте рассмотрим по порядку.

Наверное, самое важное, определяющее свойство стереопечати – это то, что она является ярко выраженной добавляющей технологией. Печатаемый объект  «вылепляется» с помощью различных технологий слой за слоем. Альтернатива им классические «отрезающие» технологии, из которых, по большей части состоит современная промышленность. Характерные примеры отрезающих машин: вырубной пресс; токарный, фрезерный и сверлильный станки.

 

Видео (на английском):

 

Большая часть современного производства работает примерно так. Сначала расходуются большие силы и средства на производство металлического прутка из высокопрочной стали, затем он перевезится его в место обработки, где тратится ещё больше энергии и средств на то, чтобы выточить болт, то есть размолоть в стружку и опилки две трети прутка. После этого болт отправляется потребителю за тридевять земель. Но и это ещё не всё, потом на перерабатывающие отходы заводы повезут стружку и опилки. Всё это требует больших затрат энергии, износа транспортного состава, работы грузчиков, складов для хранения, управленческих усилий, координации и так далее. Мягко говоря, это очень неоптимальный способ использования ресурсов.

Всё что можно сделать для оптимизации в этом случае – это увеличить размеры производства, чтобы удешевить ряд ключевых производственных и транспортно-погрузочных операций, а также усилий по сбыту, охране и т.д. Грубо говоря, чтобы сырьё и продукцию возили не маленькими грузовичками, а железнодорожными вагонами и кораблями.

Именно поэтому резко повысил оптимальность своей системы, резко вырвавшись вперёд, СССР, страна-корпорация, создавая знаменитые заводы-гиганты. По этому же пути пошёл Китай, став «мировой фабрикой» - построив всё те же заводы-гиганты.

Цифровой станок, быстрорежущая сталь, робот – принципиально ничего не меняет в способе обработки. Просто часть операций делается быстрее и автоматически. Но всё также перевозится созданный с большими затратами материал, который будет с большими затратами и усилиями отправляться в отходы.

Есть у классической промышленности и другие, не отрезающие технологии, такие как литьё и штамповка. Однако, там тоже есть свои серьёзные проблемы - дорого и сложно создать форму для литья и штампа. Создать сложную форму и сложный штамп – очень дорого. Это занимает много времени и занимается этим элита элит рабочих профессий – модельщики, «мастера с золотыми руками», которые воспитываются десятками лет. Производительность труда таких штучных специалистов, естественно, очень невелика. Ошибся один раз – переделывай всю модель, надо внести улучшение – опять всё переделывается заново в одном экземпляре.

Поэтому даже здесь рулят большие объёмы производства, когда цена модели, штампа или формы размазывается по огромной партии продукта. Если нужно выпустить маленькую партию – это или очень дорого, или вовсе не имеет смысла. Не говоря уже о том, что всё это очень долго. Разработка модели для литья или штампа запросто может занимать полгода, а в сложных случаях – до 2-3 лет. Но это только в случае успеха, когда модель пошла в серию.

К сожалению, намного чаще бывает, когда модель в серию не пошла. Из десяти опытных моделей в серию идёт одна, а то и вовсе ни одной. На каждом большом заводе есть своего рода музей опытных образцов, которые не пошли в серию по разным причинам. Это значит, что затраты на них пошли на ветер, если не считать получения опыта работниками и утешения себя словами «отрицательный результат – тоже результат». Создание моделей – очень дорогое удовольствие. Самое обидное, что если потребуется воссоздать модель тридцатилетней давности по чертежам, то это надо делать полностью заново.

По этой причине содержание серьёзных конструкторских бюро для разработки современной техники – авиации, флота, серьёзных высокотехнологичных вооружений, автомобилей, энергетики и т.д. в целом по плечу только большим довольно богатым государствам и аффилированным с ними корпорациям.

СССР сталинских времён был уникальным случаем, когда очень бедная страна могла содержать массу конкурирующих конструкторских бюро и опытных заводов и при этом развиваться невиданными в истории темпами – до 20% в год. Но всё это происходило за счёт более полного использования потенциала талантов общества, резкого сокращения расходов на единицу продукции на заводах-гигантах, уникальной социальной структуры и «срезания углов» в процессах развития технологии. Советской России не нужно было утилизировать устаревшие технологии 19 века, например, паровой привод на заводах, сохранявшийся даже во Франции до конца 30-х годов. Не нужно было перестраивать цеха под новые технологии, новое создавалось сразу же.

Но опять же, оптимизация социальной структуры не имеет особого отношения к технологиям. Литейная форма и деталь, сделанные «гегемоном» при «диктатуре пролетариата» и эксплуатируемым работником «в мире чистогана» одинаковы и зависят исключительно от квалификации работников. Как это ни странно, но основные «классические» промышленные технологии практически не изменились за последние двести лет со времён начала первой индустриальной революции. Те же токарные операции, клёпка, фрезировка, полировка, резьбовые соединения, сварка и т.п., разве что существенно более механизированные. Ну и вместо водяного и парового привода сейчас работают электрические, а вместо кузнечной сварки – элетродуга и автоген.

Массово появившиеся в последние несколько десятков лет компьютеры практически никак не меняют работу человека на заводском конвейере. В то же время компьютер в офисе кардинально меняет делопроизводство и управление – электронная почта, текстовые редакторы, базы данных системы автоматического принятия решений и автоматизированные системы управления. Всего 30 лет назад были целые машинописные бюро, где невозможно было услышать собеседника из-за стука десятков и сотен печатных машинок, за которыми сидели женщины-машинистки. Компьютер и графические редакторы полностью закрыли эту профессию, как столетием раньше печатная машинка покончила с профессией переписчика. Всего 20 лет назад телеграф был очень важным средством экстренной коммуникации. Сейчас его полностью уничтожила электронная почта и мобильные текстровые сообщения - SMS. Резко сократилась и обычная почта, какой человечество её знает уже несколько тысячелетий, она превращается в курьерскую службу, доставляющие посылки. Письма, открытки, документы, даже билеты отправляются теперь, в основном, в электронном виде через интернет. Системы автоматизированного управления мгновенно доставляют информацию о количестве товара на складе, расположенном за тысячи километров.

Да, в офисе произошла революция, но для человека у станка принципиально не изменилось ничего. Робот, безусловно, меняет ситуацию, но, тем не менее, суть процесса остаётся прежней - машина выполняет всё те же операции, что и человек. Это всё те же «отрезающие» технологии, всё то же увеличение производительности путём увеличения масштаба производства. Технологические процессы довольно сложны и даже для замены неквалифицированных человеческих операций требуют очень продвинутых и дорогих роботизированных устройств с изысканной механикой и серьёзной электроникой.

Стереопринтера же не просто автоматизируют производственную работу, они меняют её суть, кроме того, они сильно упрощают сами операции.

 

Основные Технологии Стереопечати

Упрощённо стереопечать можно описать двумя основными технологиями, каждая из которых включает в себя ещё несколько направлений.

Первая – «экструзионная печать», то есть просто выдавливание пластичного материала через дырочки-сопла печатной головки. Так же как чернильный принтер печатает фотогафию, только наносится не краска на бумагу, а пластическая масса слой за слоем. Дырочки в печатающей головке зависят от типа материала и размера принтера.

Таким образом можно печать пластиком, керамикой (попросту видами глины),

Печать из керамикой

Дизайнерский образец - 3D печать керамикой

Керамическая лампа, 3D печать

3D печать керамикой математеской поверхности

 

Можно печатать композитными материалами (например, клеем с опилками).

Думаете, это выточенная из дерева чашка? Нет это 3-d печать деревянным композитом:

 

 

3-d печать деревянным композитом

 

Можно печатать даже бетоном. Принтеры, печатающий бетоном, уже сейчас успешно печатают первые дома. Потенциально эта технология делает ненужными сразу ряд строительных профессий.

Печать из бетона в процессе

 


Модель средневекового замка из бетона 3х5 метров для демонстрации возможностей технологии

 

Вторая – лучевое формирование.  Как правило, управляемый компьютером лазерный луч проходит материал слой за слоем. Это может быть лазерное спекание металлический или пластиковый порошок спекается в том месте, куда падает луч. Потом подсыпают ещё порошка и луч перемещается по следующему слою.

image

Лазерное спекание в действии

В очень редких случаях спекание производится не лазерным, а обычным ярким пучком света. Например, "солнечный принтер" печатает объемные объекты в обычном песке расплавляя песок солнечным "зайчиком" от системы зеркал, громко называемых "гелиоконцентратором".

Концепция похожа на обычный 3D принтер лазерного спекания, но SolarSinter гораздо менее точен, чем лазер. Несмотря на непритязательный пока вид продукта потенциал принтера может оказаться огромным. Ниже пример проекта небоскрёба в пустыне, напечатанного из спечённого гелиоконцентраторным принтером песка, с сырьём там проблем нет:

3D-Printed Desert Tower

Эта же технология может быть без проблем применена при освоении космоса, например, спекании построек на Луне из реголита.

Относится к технологии лучевого формирования и стереолитография (фотополимеризация) – луч лазера падает на раствор полимера там, где луч задержался нужное время, образуется твёрдый полимер.

Вот как работает одна из последних версий фотополимерной стереопечати (на английском):

 

 

При использовании подобных технологий нет никакой необходимости печатать по одному объекту. За один проход можно напечатать весь механизм или небольшую пробную партию.

В принципе к лучевым нелазерным технологиям можно отнести и малоизвестное публике электронно-пучковое спекание (а также напыление) в вакууме, оно исключительно точно и может работать на микроуровне, но вряд ли в обозримом будущем эта технология станет массовой. Пока это единственная из стереопринтерных технологий, позволяющая печатать микроэлектронику, но для массового производства она пока малопригодна и производство качественных микропроцессоров с её помощью в обозримом будущем вряд ли реально.

Несколько отдельно стоят биопринтеры, способные печатать культурами живых клеток, но это совершенно другая история.

Нередко к стереопринтерным технологиям относят метод склейки тонких плёнок с последующим вырезанием материала лазерным лучом, на Западе его называют «ламинированием», но даже на первый взгляд видно, что это, в общем-то «отрезающая» технология.

 

Особенности Стереопечати

Для любой технологии стереопечати модель печатаемого объекта находится в управляющем компьютере в виде электронного файла специального стандарта.

Модель может храниться хоть миллион лет и не занимает практически никакого места в кладовой, если не считать размера её носителя - жёсткого диска, флэш-карты и т.д. Найти файл на на диске при правильной организации - дело нескольких секунд, отправить на печать – дело пары минут, даже на нынешних несовершенных принтерах деталь будет готова через несколько часов.

Конечно, сначала нужно создать саму трёхмерную модель, но это даже и близко не так трудно и дорого, как создать сложные детали «в реале» руками. Тут не нужен ас-модельщик, а вихратый пацан, хорошо разбирающийся в стереомоделировании. Ошибся, придумал как улучшить – не проблема, переделать совсем несложно, ведь это же компьютерная программа. Создавай хоть тысячу вариантов одного файла.

Если имеется готовый образец – используй стереосканер, корректируй файл в программе трёхмерного моделирования – и всё, посылай на печать парой щелчков «мышки».

Традиционный модельщик должен обладать редким комплексом качеств: пространственным воображением, упорством, дисциплиной, великолепной координацией («золотыми руками»), инженерными навыками (иначе он не сможет понимать сложные чертежи) и т.д. Он должен быть и фрезировщиком, и токарем, и слесарем, и много кем ещё. В общем, человек достаточно уникальный. Для компьютерного дизайнера достаточно лишь пространственного воображения и несложной компьютерной грамотности. Качество фактически неотличимо при существенно большей производительности.

Таким образом, к творчеству получают допуск намного большее количество людей, а значит и больше талантов в той области, где сам талант ограничивается «золотыми руками». Таким же образом цифровая фотография дала возможность творчества для миллиардов людей против классической. Классический фотограф должен был уметь делать фоторастворы, управляться с фотоувеличителем, экспонометром, уметь правильно выбирать плёнки и фотобумагу и так далее, без этого он не мог быть фотографом на более-менее серьёзном уровне. Для цифровой фотографии всё это не нужно. Умеешь выбирать композиции, понимаешь основы цвета и баланса белого, знаешь, что такое диафрагма и экспозиция на фотоааппарате – уже можешь быть хорошим фотографом. Цифровая фотография совершила революцию в мире фото, сделав ненужными заводы, производящие фотоплёнку, фотобумагу, фотореактивы и сопутствующие «причиндалы» - фонари красного цвета для фотопечати, фотоувеличители, фотокюветы и т.д. Примерно так же и со стереопринтером по сравнению с классическими техниками моделирования.

Но революция в моделировании – это далеко не всё. Послать на другой конец континента или земного шара файл с 3-d моделью по электронной почте займёт несколько секунд.

Разработчики могут быть сколь угодно далеко от производства и даже сотрудничать с несколькими производствами как дизайн-бюро. Современные средства коммуникации делают расстояния в этом случае не особо существенными. А это значит, надо собирать вместе меньше людей на заводах-гигантах. Опытный цех с конструкторским бюро не обязательно должен размещаться прямо на заводе. Да и само конструкторское или дизайн-бюро может быть распределённым хоть по всему земному шару. Такая распределённая структура может сотрудничать с несколькими производствами, каждой из которых накладно содержать специализированное конструкторское бюро. То есть разработка резко удешевляется, упрощается и ускоряется. Кроме того, неизбежно сформируются большие банки-хранилища 3-D моделей и для 3-D дизайнера или конструктора можно будет не изобретать велосипед с самого первого винтика, а просто вносить небольшие изменения в уже созданное. Такие же вещи произошли и в программировании – большие программы редко сейчас пишутся «с нуля», программисты, как правило, используют уже имеющиеся специализированные библиотеки.

В результатае то, что раньше могли себе позволить производить только большие компании сейчас смогут делать средние и даже малые. А это имеет весьма далеко идущие последствия.

Резко уменьшается надобность в классических опытных производствах, которые играют в организации реального производства огромную роль, которую обычно не понимают люди от этого далёкие. То, что несколько месяцев делал целый опытный цех с десятками рабочих, используя новые технологии может за несколько недель сделать небольшой коллектив или даже один человек.

Уже сейчас можно напечатать небольшой ракетный двигатель. Сделать такой же традиционным способом стоит около 30 тысяч долларов, а напечатать – 10 тысяч, если печатать несколько, то вовсе 2-3 тысячи.

Передовые автомобильные компании уже создают дизайн концептуальных моделей новых машин с использованием 3-Dпринтеров.

Image result for 3d printing

 

3d printed car

 

Уже сейчас стереопринтер может создать не только дизайн, но и практически полностью саму машину:

Первая машина, напечатанная на 3D принтере

Дизайн перспективной яхты (катера)

Если суммировать сказанное, то вывод очевиден – мы имеем дело именно с технологической революцией в производстве единичных изделий и малых партий.

 

Где может применяться стереопечать

 

В первую очередь это – самый разнообразный дизайн, причём области, в которых внедрение 3-D печати будет революционным невозможно перечислить, потому что список всё равно будет неполным:

1. Дизайн

изготовление дизайнерской мебели:

untitled

 

 

 

 

Арт-Декор:

 

Если кому интересно как из такого крана может литься вода - она идёт по маленьким трубочкам внутри сетчатой конструкции крана

 

фурнитуры и мелких хозяйственных вещей - всякие крючки-вешалки, подставки и т.д.

Neuron-Cube-Pencil-Holder - by-Dizingof-.7529

Стаканчик для карандашей, 3D-печать

Вешалка для полотенец, 3D-печать

Fractal-Horn-by-Dizingof-.9980

DSCF4220 copy

Корзинка

3D Printed Home Decor Bird Egg Cup

 

вазы

 

Дизайнерская ваза из керамики. Стереопечать

Дизайнерская ваза из керамики. Стереопечать

3D-Voronoi-Vase - Math-Decor-by-Dizingof-.7629

детские игрушки и модели,



Существующие программы и онлайн-сервисы позволяют даже человеку далёкому от 3D-моделирования создать модель.

 

лампы и светильники, свечи и т.п.

Зачастую создать весьма интересную поверхность для 3D дизайна очень несложно, математические уравнения, определяющие поверхность, не просто несложно найти, они составляют часть хорошо известных программ.  Ниже пример использования алгоритмов Excel, экспортированных в 3D редактор:

i.materialise lamps

i.materialise lamps
 

Эта лампа была отпечатана за один раз, несмотря на подвижные части элементы. Это уникальная особенность 3D печати – производство движущихся частей и деталей без необходимости дальнейшей сборки.
Ниже лампа, созданная на основане параметрической кривой, вокруг которой сгенерировали трубку в 3D редакторе.


i.materialise lamps

3D Printed Home Decor Jellyfish Lamp

3D-светильник в виде медузы

Ювелирные изделия и бижутерия

Революционные изменения начинают происходить и в производстве ювелирных изделий, небольшого изменения в исходном файле достаточно, чтобы создать уникальный продукт, которого больше нет ни у кого. Количество вариаций огромно.

 

 

Nervous System 3D Printed Gold Kinematics Swatch 1

 

3D-арт скульптура

Эта тема бесконечна, как бесконечно искусство. Работа 3D скульптора сводится к умению создавать правильные модели на компьютере. Распечатать их несравненно проще, чем создать руками.

best art foundry casting krismer metall kunst guss modern contemporary art antique sculpture statue form shape arts design bronze sculptor manfred kielnhofer gallery 3d printing 0786

Picture of How to Apply 3D Printing to Create Bronze Sculpture

3D натурная скульптура и бюсты вроде фигурки своего друга или родственника,

Представьте, например, призмер, приз для победителя соревнований каких-нибудь школьнико-арбалетчиков и т.д.),

Используя современный 3D сканер, можно отсканировать человеческа примерно за минуту.


i.materialise bronzes

3D модель после сканирования и небольшой обработки

 

3D-портрет, пластик

3D-печать эмбриона по результатам внутриутробного сканирования

 

3d printed filaments

3D "подделка" под бронзу

i.materialise bronzes

При желании можно отлить образец и в бронзе

 

отделка помещений - 3-D панели, элементы дизайна вроде "лепнины" и др.

Дизайн "напечатанной" 3D ванной комнаты

Сборка напечатанного орнамента

3D дизайн дома

 

Архитектура

Проект экодома, стереомодель

Модель Моста

Макет Стадиона

 

Макеты местности и городов, это нужно не только архитекторам городов, но и военным, пожарным, медикам, геологам и так далее. Да и отличное наглядное пособие для студентов и школьников, кстати.


Такие модели можно устанавливать в городе под колпаком и со светодиодными освещением как путеводитель для туристов.

 

 

Кинематограф

Безусловно, огромную роль стереопринтеры сыграют в кинематографе, резко удешевляя стоимость реквизита при увеличении его качества и кардинально сокращении времени на создание уникальных моделей. 3-Dпринтеры уже начают активно использоваться в кино, например, в создании последнего «Терминатора.»

Создание "характера"

Разнообразные скафандры для киношных космонавтов


Робот-трансформер для фильма


Создание реквизитов для фильма "Терминатор-4"

Напечатанная часть робота-убийцы

Конечный результат

 

Как это делалось (на английском):

 

Пространственное рисование

3D-ручки - фактически часть головки экструзионного стереопринтера с одним-единственным соплом, в которое выдавливается расплавлеггый пластик, тут же застывающий на воздухе в виде объёмного контура. Это позволяют превратить эти жесты в материальные, видимые объекты. Показанная ручка LIX Pen мала и потребляет мало энергии, для работы достаточно подключить к компьютеру.


Использование такого суперпримитивного 3D принтера может быть самым различным - от демонстрации (жест рукой в воздухе оставляет объёмный след) и творческого дизайна до нового вида графического 3D-творчества:


 

Нет никаких принципиальных проблем в печати легкоплавким, но прочным металлическим или композитным сплавом. С помощью его можно создать не только контурный дизайн, но и каркас будущего изделия, который можно покрыть бумагой, тканью и т.д. Представьте, например, что такого рода агрегатом можно создать каркас лёгкого летательного аппарата, например, змея или беспилотника, воздушного шара или лёгкого беспилотного дерижабля, покрыв быстрозастывающим полимерным растровором проволочный каркас. Можно создать лёгкую палатку-тент, сетчатую структуру для быстрой постройки чего-либо в отдалённом районе для небольшой группы и так далее.

Представьте также сочетание такой 3D-ручки с очками виртуальной реальности или голографией. Инструкция по созданию каркаса постройки - просто водить рукой с такой вот ручкой по виртуальной поверхности.

 

image

На рисунке показана концепция 3D-мыши, но по идее, печать каркаса 3D-ручкой должна выглядеть примерно так же

Продолжение следует

Павел Краснов


 

Возможное Будущее : 

Комментарии

А как обстоит дело с прочностью? Я смотрю, тут все в основном модели, не предусматривающие серьезной нагрузки- за исключением автомобиля. Но самые важные узлы механизмов, помимо точности, требуют заданной прочности.

Небольшие ракетные двигатели делают вполне успешно. Пластиковая прочность тоже вполне ничего. В целом, прочность спечённых элементов сейчас пока существенно ниже там, где требуются большие нагрузки - образуются микропустоты, которые потом не ликвидируются, оставаясь, в лучшем случае дефектами или микродефектами. Это одно из серьёзных ограничений, Вы правы. С бетоном всё более-менее нормально для небольших зданий.

Есть и другие проблемы, например, слоистость. Узлы с большими нагрузками пока  проблема. Для описанного в статье это не существенно. Прототип, игрушка, ювелирное украшение, мебель...