Коли технологія 3D-друку стане масовою

Близько 10 років багато хто прогнозував, що 3D-принтери з’являться в кожному будинку і будь-хто зможе надрукувати все, що потрібно — від обіду до запчастин. І хоча цього не сталося, технологія проникає у наше життя іншими способами. Розповідаємо, як адитивне виробництво вже використовується у промисловості, охороні здоров’я та будівництві.

У 1887 році в містечку Аккрінгтон, графство Ланкашир, вперше виробили цеглу, яка швидко стала легендарною через свою міцність. Ця особливість, яка з’явилася завдяки хімічним властивостям місцевої глини, дозволила зводити висотні будинки по всьому світу. Саме завдяки цьому в 1894 році було збудовано Блекпульську вежу, а в 1930 році — хмарочос Емпайр-стейт-білдінг у Нью-Йорку.

Цього року увагу привернув інший, не менш інноваційний будівельний матеріал, створений у тому ж містечку за 20 миль на північ від Манчестера.

На пустирі на Чартер-стріт планується збудувати 46 будинків з нульовим викидом вуглецю, серед яких будуть і квартири з однією спальнею, і будинки з чотирма спальнями. Замість цегли в них використовуватиметься бетон, екструдований на 3D-принтері. Після закінчення будівництва (імовірно, наприкінці 2023 року) це буде найбільший у Європі комплекс будівель, надрукованих на 3D-принтері.

Можливо, десь у 2012 році вам зустрічалися прогнози, що в кожному будинку скоро з’явиться 3D-принтер, який ми будемо використовувати для різних завдань. Але це не сталося.

«Ніхто не робитиме деталі для пральної машини, коли вона зламається, — каже Річард Хейг, професор адитивного виробництва у Ноттінгемському університеті. — Люди не будуть друкувати ручку для соусника, якщо вона відпаде. Ніхто це не робитиме. Простіше і швидше замовити все на Amazon і отримати товар з доставкою наступного дня».

Але в той час, як домашнє використання 3D-принтерів не набуло широкого поширення, технологія непомітно проникає в наше життя іншими способами. Майже всі – понад 99% – виготовлені на замовлення слухові апарати тепер друкуються на 3D-принтері з акрилової смоли, і це відбувається вже багато років.

Адитивне виробництво широко використовується в стоматології: елайнери, які все частіше замінюють традиційні дротяні брекети, були б практично неможливими без 3D-друку. Adidas та Nike застосовують цю технологію у своєму взутті. Запчастини, надруковані на 3D-принтері, з’являються на всіх нових літаках і дедалі більшій кількості автомобілів.

Хейг визнає, що ще 10 років тому ажіотаж був неймовірним: люди вірили, що надрукувати можна буде будь-що.

«Але зараз технологія стає по-справжньому зрілою… Вона широко застосовується такими компаніями, як Rolls-Royce і General Electric, і ми співпрацюємо з AstraZeneca, GSK і безліччю інших людей. Домашній 3D-друк так і не став поширеним, але перетворився на індустрію вартістю мільярди доларів» — каже він.

Це не перебільшення: за прогнозом маркетплейсу Hubs ринок 3D-друку до 2026 року зросте майже втричі, до $44,5 млрд.

3D-друк у будівництві: економія часу та ресурсів

Будівництво – одна з областей для зростання. У 2018 році пара з 3 дітьми із Франції стала першою сім’єю, яка оселилася у надрукованому будинку. На створення бунгало з 4 спальнями в Нанті знадобилося 54 години та 176 тисяч фунтів стерлінгів. Після цього були реалізовані ще більш амбітні проєкти в Нідерландах, США та Дубаї.

Проєкт в Аккрінгтоні став можливим завдяки недавнім розробкам у галузі надрукованого бетону, який витримує навантаження та демонструє хороші характеристики, але при цьому економічний.

«У найзагальніших рисах, у вас є установка та система доставлення матеріалів. Ви змішуєте бетон і завантажуєте його в голівку. По суті це схоже на гігантську машину для приготування глазурі для тортів, яка видавлює бетон». — пояснює доктор Марчант ван ден Хівер, інженер-будівельник із Harcourt Technologies, яка бере участь у проєкті Building for Humanity.

Але що дійсно хвилює такі компанії, як Building for Humanity та HTL, то це потенційна економія та ефективність, які пропонує нова технологія.

Прогнозований бюджет Чартер-стріт складає 6 млн фунтів стерлінгів, що приблизно на 25% менше витрат у порівнянні з аналогічним будівництвом. Об’єкт буде побудований з екологічно чистих матеріалів, переважно перероблених, а роботи мають зайняти вдвічі менше часу — 101 робочий день замість більш як 12 місяців.

«Конкурентоспроможність за витратами з самого початку — це абсолютно нечувано для технології, що розвивається» — говорить Джастін Кінселла, архітектор, який заснував Harcourt 20 років тому і для якого це перший проєкт, пов’язаний з 3D-друком.

Вперше описаний у науково-фантастичних творах 1950-х років, 3D-друк став реальністю у 1980-х.

Основні принципи залишаються незмінними й сьогодні: об’єкт створюється шар за шаром із нуля. Це відбувається шляхом фізичного видавлювання матеріалу, як у будівельному проєкті в Аккрінгтоні, або за допомогою керуючого ними комп’ютером лазерних променів, які створюють шари, розплавляючи порошки з металу, пластику або інших матеріалів.

Одна з найбільших і безпосередніх переваг адитивного виробництва в тому, що можна надрукувати лише те, що потрібно. І це разюче відрізняється від обробки шматка металу, коли доводиться вирізати більшу частину, яка потім вирушає на викид або перероблення.

Однак у перші роки 3D-друк був дорогою, повільною та неточною технологією. Лише нещодавно вдалося усунути деякі з цих недоліків. Крім того, прийшло чітке усвідомлення того, що 3D-друк не розв’яже усі проблеми.

«Я можу здатися захопленою дитиною, і я справді сповнений ентузіазму, — каже Хейг. — Але я вкрай реалістично налаштований на те, що можна, а чого не можна робити. І використовувати адитивне виробництво для всього неможливо».

Фудтех: скорочення відходів

Десять років тому однією з бентежних тем була ідея 3D-друку харчових продуктів. Передбачалося, що в майбутньому можна буде поснідати свіжонадрукованим круасаном або засунути трохи тіста в машину, натиснути кілька кнопок і отримати домашні равіолі. Нові продукти також вирішать одну з головних проблем нашого часу — те, що третина харчових продуктів, з тих що виробляються у світі (а це близько 1,3 млрд тон), марнується.

Саме ця статистика привела 26-річну Ельзелінде ван Долеверд, випускницю Технологічного університету Ейндховена у Нідерландах, у сферу промислового дизайну.

Вона почала експериментувати з хлібом, фруктами та овочами, продуктами, які найчастіше псуються, щоб подивитися, чи може дегідрація та зміна форми дати їм друге життя. Результатом став проєкт, який 2021 року 6 місяців проводили на тестовій кухні копенгагенського ресторану Alchemist.

В рамках своєї роботи в Alchemist ван Долеверд розробила «тарталетку» з буряка та моркви, яку подавали на пелюстках, надрукованих на 3D-принтері, виготовлених із хітозану, цукру, що отримується із зовнішньої оболонки молюсків, та прикрашених їстівними квітами. Страва виглядає вражаюче, але її ще не включили до меню, оскільки її важко готувати безпосередньо перед замовленням.

Наразі дослідниця працює у харчовій лабораторії ресторану De Nieuwe Winkel у Нідерландах, визнаного найкращим у світі рестораном продуктів на рослинній основі. Їй важко уявити, що їжа, надрукована на 3D-принтері, незабаром стане поширеною.

«Останній тренд, який ми спостерігаємо в галузі харчових продуктів та домашньої кулінарії, полягає в тому, що це не повинно тривати так багато часу, і ми не хочемо витрачати стільки зусиль. Можливо, ми матимемо можливість просто розмовляти з принтером, наприклад, встаючи з ліжка: “Будь ласка, приготуй мені сніданок!” Подивимося, але я поки що не дуже в це вірю», — визнає вона.

Автопром: аеродинаміка та екологічність

Хейг зазначає, що водночас 3D-друк процвітає в області кастомізації та легкого дизайну: «Ви можете створювати надскладні геометрії, які просто не можете зробити іншим способом».

Однією з компаній, що використовують переваги геометричної свободи технології, є Czinger, виробник автомобілів з Лос-Анджелеса. Зараз Czinger пропонує тільки одну модель, 21C, але вона вражає уяву: гіперкар з максимальною швидкістю 407 км/год, часом розгону до 96,6 км менш як 2 секунд і ціною $2 млн.

Деталі автомобілів – особливо прототипів – вже деякий час друкуються на 3D-принтері, але 21C – щось набагато більше.

«Насправді це взагалі не автомобіль, – писав Джек Рікс, редактор журналу Top Gear BBC у своєму огляді 21C. — Це демонстрація можливостей цифрового дизайну та 3D-друку».

Проєкт заснували батько Кевін Чінгер та його 28-річний син Лукас, які дали йому власне прізвище – Czinger. У компанії працює понад 150 співробітників, і вони були набрані з команд Ferrari та F1, а також Apple та SpaceX.

Резонно замислитись, наскільки гіперкар вартістю $2 млн має відношення до реальності. Але Czinger виробляє деталі для щонайменше восьми масових автомобільних брендів – поки їм дозволено розкрити тільки Aston Martin.

3D-деталі можуть бути легшими, міцнішими та демонструють кращі аеродинамічні властивості. Крім того, всі ці розробки мають переваги для навколишнього середовища, тому що автомобілі ефективніше витрачають паливо.

«Найближчі п’ять років ви почнете бачити це на повсякденних автомобілях. І в найближчі 10 років технологія здебільшого замінить лиття, формування та штампування. Так, так, я повністю вірю, що це майбутнє», — прогнозує Лукас Чінгер.

Що про це думає сам Джек Рікс із Top Gear?

«Кожен виробник автомобілів постійно прагне покращити пакування, знизити вагу, підвищити паливну економічність, а також знайти способи виробляти свої автомобілі вищої якості та за менші гроші, – відповідає Рікс. — Чингер стверджує, що вирішив усі ці проблеми одразу».

За його словами, «Це лише питання часу, перш ніж у всіх нових автомобілях з’являться деталі надруковані на 3D-принтері»

Космос: виробництво та економія ресурсів

Колись ми вже думали, що 3D-друк врятує світ. Чи варто вірити в це зараз? Насправді з’являється дедалі більше свідчень, що цього разу ажіотаж не перебільшено.

Організації, що досліджують космос, вже використовують адитивні процеси, щоб виготовляти деталі ракет. Але вони також вивчають проблеми, які виникнуть після висадки на Місяць чи Марс: усі необхідні ресурси не перевезти, тому доводиться шукати способи будівництва та забезпечення продовольством, використовуючи спрямовану енергію сонця та матеріали, які вони знайдуть на місці.

NASA вже фінансує один проєкт із перероблювання сечі, фекалій та дихання астронавтів під час тривалих подорожей для виробництва харчових продуктів та пластмас для 3D-друку.

Медицина: імплантати та нова форма ліків

Крім цього, адитивне виробництво незабаром увійде до наших життів — і, можливо, навіть продовжить їх.

Американська компанія Stryker використовує 3D-друк для виробництва складних ортопедичних імплантатів, створити які в інший спосіб було б неможливо.
Минулого року у США реконструювали вухо жінки, використовуючи імплантат із живої тканини, надрукований на 3D-принтері.
Минулого літа на конференції в Сан-Дієго представили каркас людської легені — можливо, найскладніший об’єкт, колись створений з використанням адитивного виробництва.

Річард Хейг з Ноттінгемського університету зараз працює з GSK та AstraZeneca над 3D-друком «біотаблеток». Кожна з них містить відразу кілька ліків, які підбираються індивідуально для кожного пацієнта, що значно спростить те, що вам потрібно приймати та коли, особливо людям похилого віку.

«Дотримання розпоряджень – величезна проблема: у вас є всі ці ліки, але люди просто не приймають їх, – каже Хейг. — Це величезні потенційні зиски, доступні для розуміння».

Саме тут перспективи 3D-друку стають неймовірно привабливими – де технологія явно спрощує чи покращує життя без додаткових витрат для споживача.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: The Verge