Мегатех. Технологии и общество 2050 года в прогнозах ученых и писателей

Зачастую эта реальность будет означать не только модернизацию существующих методов производства, но и разработку совершенно новых. Наиболее перспективный процесс в этом отношении — аддитивное производство, известное многим под названием «3D-печать». Хотя она начала применяться еще в 1980-х, усовершенствованное аппаратное и программное обеспечение лишь в последние годы привело к созданию широкого спектра 3D-принтеров стоимостью менее 1000 долларов для любителей и более 1 млн долларов для специализированных инженерных приложений.

Сегодня эти машины используют десятки различных методов для печати предметов из самых разных материалов: пластика, стекла, металла, керамики и даже биологических веществ. Тем не менее фундаментальный принцип, лежащий в основе этой технологии, остается неизменным: наращивание слоев вместо их удаления путем разного рода обработки (как на традиционном производстве). При этом образуется меньше отходов, поскольку 3D-принтер накладывает материал только там, где это необходимо. Эти устройства могут воспроизводить и сложные формы, геометрию которых трудно или невозможно изготовить при помощи обычных инструментов, и даже структуры внутри твердого объекта (которые могут создаваться внутри внешних слоев с самого начала).

Поначалу 3D-печать использовалась в первую очередь для быстрого прототипирования, что по большей части предполагает изготовление вещи в одном экземпляре, причем за небольшой промежуток времени и дешево. Настраивать традиционные машины на заводе для того, чтобы сделать всего один экземпляр — дорогой и достаточно долгий процесс. С 3D-принтерами, управляемыми программным обеспечением, в этом отношении гораздо проще. Поэтому сегодня существует стабильная тенденция к тому, чтобы получать все больше конечных продуктов с помощью аддитивного производства (или прямой объемной цифровой печати).

Кое-кто считает, что в будущем в каждом доме появится 3D-принтер, позволяющий создавать необходимые изделия при помощи загруженного из Интернета ПО. В ближайшие полвека для всех, кроме любителей делать все своими руками, это останется лишь фантастической идеей. Тем не менее в будущем 3D-печать станет неотъемлемой частью массового производства. Консультант по вопросам индустрии Терри Волерс прогнозирует, что рынок 3D-печати вырастет с 6,7 млрд долларов в 2016 году до 1,13 трлн в 2040-м (рис. 10.1).

Некоторые крупные компании уже значительно продвинулись в организации аддитивного производства. Например, General Electric (GE) установила на своей фабрике в Оберне, штат Алабама, 3D-принтер стоимостью 50 млн долларов, «печатающий» топливные форсунки для нового реактивного двигателя LEAP из сплава кобальта, хрома и молибдена. Топливная форсунка — это сложная деталь, которая должна выдерживать чрезвычайно высокие температуру и давление. Обычно она делается из 20 различных компонентов, сваренных вместе. При производстве LEAP сопла печатаются единым блоком: путем добавления последовательных слоев материала в порошкообразной форме и выплавления необходимых форм с помощью управляемого компьютером лазера. Полученные топливные форсунки на 25 % легче и в пять раз долговечнее обычных. К 2020 году GE планирует печатать 100 тысяч топливных форсунок в год.

Компания Airbus также разработала собственный новый материал, названный Scalmalloy. Этот сплав алюминия, магния и скандия, и он, по мнению компании, будет особенно хорош для изготовления с помощью 3D-принтера более легких и высокопрочных деталей для самолетостроения.

Рис. 10.1. Аддитивное производство.

3D-печать, рыночная стоимость, млрд долларов

В Китае первый 3D-принтер уже пошел в массовое производство, за ним последует множество других. Ведущий тайваньский производитель электроники LITE-ON использует 3D-принтеры, изготовленные компанией Optomec из Альбукерке, штат Нью-Мексико, на фабрике в Гуанчжоу, где печать электронных схем осуществляется прямо внутри мобильных телефонов и другой потребительской электроники, вместо того, чтобы создавать эти компоненты по отдельности и собирать их в устройства с помощью робота или вручную.

Ассортимент подобной продукции растет. На одном конце шкалы находится Winsun — китайская компания, печатающая дома. С помощью экструзионной головки, очень похожей на ту, что используется для нанесения глазури на торт, из быстро высыхающей смеси цемента и переработанных строительных отходов создаются большие плиты, которые затем соединяются в здание. Более высокотехнологичный подход применяет Oak Ridge National Laboratory из Теннесси, которая совместно с архитектурной фирмой Skidmore, Owings and Merrill печатает строительные конструкции из материалов, включающих такие компоненты, как изоляция, воздушные и влагозащитные барьеры и наружная облицовка. Идея состоит в разработке безотходного процесса строительства.