3D-печать изменит мир?

Наш сайт начинает публикацию серии статей о 3D-печати и ее активном развитии в мире и в России. Представляем вниманию читателей первую статью цикла, опубликованную в блоге Киберпанк на известном портале habrahabr.ru

«Технологии, потенциал и последствия аддитивного производства», - статью под таким заголовком опубликовали специалисты Инициативы стратегических прогнозов (Strategic Foresight Initiative). Эта организация создана для анализа потенциальных последствий долговременных глобальных трендов, революционных изменений и потрясений, которые могут произойти в мире. В последние шесть лет Инициатива стратегических прогнозов совместно с Национальным советом по разведке США публикует доклады с прогнозом долговременных трендов до 2025-2030 гг. На этот раз они обращают внимание на 3D-печать и другие способы так называемого аддитивного производства (АП, additive manufacturing).

По мнению исследователей, АП способно коренным образом изменить общество и мировую экономику. По силе воздействия это может быть сравнимо с изобретением парового двигателя, электрической лампочки, атомной энергии или микрочипа. Причём именно сейчас, по их мнению, технология «готова к взлёту», а в ближайшее десятилетие начнётся резкий рост использования 3D-печати в промышленности.

В докладе вкратце рассматриваются существующие технологии аддитивного производства и нынешние сферы их применения. Авторы отмечают, что изначально АП применялось для быстрого прототипирования, то есть быстрого производства концептуальных моделей и прототипов. Но по мере совершенствования материалов и техпроцесса, технологии АП перешли сначала к созданию деталей для функционального тестирования, затем к созданию деталей для прессов и других инструментов промышленного производства и, наконец, непосредственно к промышленному производству. В 2009 году, согласно исследованиям, 16% устройств АП использовалось непосредственного для изготовления деталей, 21% - для функционального моделирования и 23% - для создания инструментов.

Оценка и прогноз доходов (в миллионах долларов США) от продуктов и услуг АП

Сейчас существует несколько «историй успеха», то есть таких сфер, где АП успешно используется для изготовления деталей:

• автомобильные детали, например, некоторые части двигателей автомобилей «Формула-1» изготавливаются методом прямого лазерного обжига по металлу;
• детали самолётов, например, трубка для системы контроля окружающей среды истребителя/штурмовика F-18;
• индивидуальная ортодонтия: компания Align Technology использует АП для создания точных индивидуальных зубных скоб для сотен тысяч пациентов по всему миру методом стереолитографии с 3D-сканов ротовой полости, в качестве материала для изготовления скоб используется полимер, одобренный FDA;
• индивидуальные слуховые устройства: производятся компаниями Siemens и Phonak на основе 3D-скана ушного канала, так что устройство идеально подходит пользователю и практически незаметно.

  Среди существующих ограничений АП называют бедный выбор используемых материалов и низкую скорость 3D-печати (несколько десятков кубических сантиметров в час). По мнению авторов исследования, эти ограничения являются временными и могут считаться либо несущественными, либо преодолимыми в будущем.

  А вот потенциал технологии поистине трудно переоценить. Массовое производство может трансформироваться до неузнаваемости: для многих продуктов стандартные конвейеры можно будет сильно сократить или полностью заменить 3D-принтерами, ведь конечный продукт - например, автомобиль - будет собираться не из сотен и тысяч отдельных запчастей, а в рамках одного процесса. Это повлияет на множество производителей и поставщиков - многих заводов по всему миру, которые изготавливают детали для данного конвейера.

  Глобализация изменит своё лицо. Движение товаров станет происходить не в физическом мире (на баржах, контейнерах и грузовых фурах), а в интернете - в виде цифровых файлов и 3D-моделей. Как электронное письмо можно переправить на другой конец света и там распечатать в 2D, файл трёхмерной модели STL можно переслать и распечатать на 3D-принтере, получив исходное устройство. Файлы STL будут создаваться либо трёхмерным сканированием оригиналов, либо проектироваться дизайнерами в пакетах 3D-моделирования.

В некоторых случаях распечатать пару сотен айфонов последней модели для жителей деревни будет проще и дешевле на локальном принтере, чем производить миллионы устройств в Китае, транспортировать их через океан, а потом обеспечивать доставку в данный населённый пункт, удалённый от крупных центров дистрибуции. За счёт локализации производства в будущем могут пострадать нынешние страны-экспортёры, у которых экспорт превышает импорт, такие как Германия, Япония и Китай. Выиграют же страны-импортёры (США), а также страны с большим внутренним рынком (США) и страны с большим потенциалом для экспорта интеллектуальной продукции (опять США). В целом, считают исследователи, за счёт распространения трёхмерной печати Соединённые Штаты могут вернуть себе былое влияние в мировой экономике, промышленности, на рынке интеллектуальной собственности, дизайна, инноваций и экспорта продуктов интеллектуальной деятельности.

Несмотря на улучшение внешнеторгового баланса за счёт локализации производства в некоторых перечисленных выше странах, которые выигрывают от внедрения АП, подобная трансформация экономики может привести к политической дестабилизации за счёт роста безработицы. Но в тех же США, считают специалисты, эта тенденция может компенсироваться благодаря старению населения и естественному сокращению количества трудоспособного населения. Кроме того, АП сами по себе создадут новую индустрию с оборотом в сотни миллиардов долларов, для которой понадобятся специалисты новых профессий (больше 3D-дизайнеров, программистов, инженеров, разработчиков принтеров, заводы по производству принтеров и упаковке расходных материалов).

Устройства АП в будущем смогут работать с большим количеством разнообразных материалов без сложной перенастройки. Но ключевыми технологиями, которые в ближайшие годы обеспечат прорыв АП, станут две:

1. Прямое АП металлических компонентов. В этой области достигнут значительный прогресс в последние пять лет. Инженеры уже сейчас могут изготавливать компоненты из титана и некоторых металлических сплавов на базе 3D-моделей в рамках техпроцесса АП, причём эти детали по многим параметрам не уступают своим аналогам, изготовленным традиционным способом. По мере совершенствования этой технологии, мы увидим всё большее внедрение АП в промышленности.
2. Настольные 3D-принтеры. В то время как прямое АП металлических деталей совершит революцию в промышленности, настольные 3D-принтеры снижают ценовой барьер для данной технологии и делают её доступной для каждого пользователя. Благодаря истёкшим патентам и технологиям, перешедшим в общественное достояние, а также open source проектам, сегодня устройство АП можно купить всего за $1000. Благодаря такой низкой стартовой цене интерес к 3D-печати резко вырос в последнее время, поскольку всё больше и больше любителей приобщается к новому хобби. В этом смысле 3D-печать сейчас находится примерно на той же стадии, что и первые компьютеры Apple I, после которых появился массовый рынок персональных компьютеров.

Таким образом, революция 3D-печати идёт как на верхнем уровне, так и на нижнем, что обещает конвергенцию посередине.

Ещё одним важным значением АП является стимулирование того процесса, о котором многие говорят в последнее время: это конвергенция технических дисциплин, особенно четвёрки НБИК (нанотехнологии, биотехнологии, информационные технологии, когнитивная наука).