Архитектура, еда, медицина: какие отрасли изменит 3D-печать в ближайшие годы28.11.2016 20:23

Прогресс, как известно, идет по спирали, каждый из витков которой знаменуется принципиальным изменением подхода к производству, что сразу отражается на объеме производимой продукции, ее качестве и доступности для потребителя.

Когда-то люди начали применять паровые машины на фабриках, потом стали массово использовать электричество, еще позже изобрели конвейерное производство. На каждом из этих этапов производственная культура делала резкий рывок в стремлении удовлетворить растущие потребности потребителей.

В наши дни фактором, давшим новый толчок прогрессу, стало распространение цифровых технологий — технологий 3D-моделирования, 3D-сканирования, объёмной печати и роботизации. Цифровые технологии изменяют саму концепцию производства, делая его дешевле, точнее, быстрее и удобней.

Медицина

Нет ничего важнее здоровья, и уже сегодня цифровые технологии становятся незаменимы в этой области. 3D-моделирование и 3D-печать успешно применяются в сфере, где особенно важен индивидуальный подход и строгое соответствие создаваемого предмета анатомии пациента.

Уже сейчас так производят импланты, заменяющие пораженные кости и суставы

Просканировав область вмешательства и объединив данные с компьютерной томографией, врачи могут смоделировать и распечатать необходимый имплантат с точностью до долей миллиметра. После этого проверяется правильность геометрии полученного имплантата и происходит подготовка к операции на распечатанной по томографии пациента 3D-модели.

Такие технологии уже несколько лет применяются во всем мире, а теперь и в России.

Также уже несколько лет создаются доступные бионические протезы, дающие новые возможности людям с ампутированными конечностями.

Причем не только для людей.

Врачи распечатывают индивидуальные шины, ортезы и лангеты, фиксирующие конечности при лечении переломов — они намного более удобны в применении и комфортны для пациента, чем традиционный гипс. Один из отечественных проектов, изготавливающих такие фиксирующие конечности, — «Здравпринт».

Новые 3D-технологии применяют также в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии. Они позволяют планировать и проводить лечение, а также проектировать и создавать индивидуальные протезы и временные коронки как отдельных зубов, так и целых челюстных фрагментов.

Как это происходит:

1. Совмещается 3D-скан челюсти пациента с данными компьютерной томографии для высокоточного планирования размещения имплантата с учетом качества кости пациента, расположения нерва и артерии.
2. Определяется размер и форма имплантата и требуемый угол его установки.
3. По этим данным на 3D-принтере печатается хирургический шаблон, не допускающий врачебную ошибку при установке имплантата во время операции.
4. Печатается или фрезеруется временная коронка для правильного заживления мягких тканей на послеоперационный период.
5. Печатается или фрезеруется постоянная металлокерамическая коронка из биосовместимого металла (титан или кобальт-хром).

Применяется 3D-печать и в ортодонтии. С ее помощью создают элайнеры — приспособления, исправляющие прикус, пришедшие на смену неудобным и травмирующим брекет-системам.

Этот метод набирает обороты по всему миру, и я решил протестировать на себе одно из таких решений. Элайнеры почти невидимы, но они действительно корректируют положение зубов.

Но самой ожидаемой в медицине остается, конечно, печать живых органов. Многие знают про напечатанное на 3D-принтере ухо; ведутся работы с клетками мышц, печени и кожи. В будущем такие технологии позволят полностью восстанавливать поврежденные или утраченные ткани и органы.

Кстати, при «Сколково» существует известный в медицинских кругах стартап 3D Bioprinting Solutions, которому удалось напечатать мышиную щитовидную железу. Это первый шаг к изготовлению живых органов для трансплантации человеку.

Ювелирное дело

Цифровые технологии применяют в производстве ювелирных изделий, бижутерии и аксессуаров. Трехмерное моделирование позволяет создать точный цифровой макет будущего изделия и распечатать сначала прототип, дающий мастеру возможность подержать в руках и доработать изделие заранее.

После этого печатается или фрезеруется модель из выплавляемого или выжигаемого воска или фотополимера, которая заливается гипсом для получения литьевой формы и выгорает (выплавляется) в процессе заливки, позволяя металлу заполнить форму и точно повторить малейшие нюансы будущего изделия.

Сам процесс выглядит так:

Уже есть 3D-принтеры, печатающие непосредственно драгметаллами, но пока цена порошка для таких машин слишком высока для постоянного применения.

Инженерное производство

В инженерном производстве давно используют цифровые технологии, такие как CAD 3D-моделирование, 3D-сканирование и трёхмерная печать. Новый тренд — применение промышленных роботов и автоматических станков.

Например, 3D-сканированием пользуются при контроле качества, а 3D-печать применяется, вместе с автоматизированными фрезерными и токарными станками в производственных цехах.

Уже существуют промышленные принтеры, способные создавать трёхмерные формы внушительных размеров. 3D-принтер, изображенный на фото выше, может печатать объекты диагональю в несколько метров.

Недалек тот день, когда созданный инженерами проект, представленный в цифровом виде, будет полностью воплощаться в жизнь промышленными роботами.

Автомобильная отрасль

В первую очередь это создание CAD 3D-моделей и прототипирование. Сейчас этот симбиоз вышел на новый уровень — из конструкторских бюро попал в производство. Глобальная роботизация начинается как раз с автомобилестроения, и армия роботов, пока не без помощи людей, уже осуществляет сборку автомобилей на заводах. Вот так это выглядит на Tesla Factory:

Уже есть рамы и кузова, полностью напечатанные на 3D-принтере.

Это относится и к тюнингу — молдинги, спойлеры, декоративные элементы, колесные колпаки. Что уж говорить об отдельных небольших элементах — функциональных деталях и деталях оформления, многие из которых можно распечатать на небольшом бытовом принтере.

3D-сканирование применяется и в ремонте, оно позволяет с высокой точностью диагностировать отклонения в геометрии кузова и легко создавать модели для последующей печати элементов на замену.

С развитием технологий объемной печати, позволяющих печатать сложные функциональные детали из различных материалов, могут появиться и полностью напечатанные автомобили, каждая деталь которых будет создана 3D-принтером.

Строительство

Во всём мире ведутся эксперименты по применению 3D-печати в строительстве. В этой сфере технология применяется как при проектировании, где очень полезны промышленные 3D-сканеры и специальные программы, так и непосредственно в создании объектов.

Специальные строительные 3D-принтеры печатают модульные блоки и целые здания из бетона. В России одним из пионеров строительной 3D-печати стала компания «Спецавиа», которая этим методом уже возвела несколько объектов.

Строительная 3D-печать позволяет создавать объекты необычных и нестандартных форм, недоступных для обычного серийного строительства. При этом производство происходит из стандартных смесей с применением армирования.

Уже скоро могут появиться агрегаты, которые за считанные часы будут печатать, например, небольшой коттедж — от фундамента и коммуникаций до флюгера на крыше.

Архитектура и макетирование

Уходят в историю времена, когда архитекторам для создания макетов зданий приходилось пачкать руки клеем и дышать испарениями разрезаемого раскаленной проволокой пенопласта. Всё большее место занимает ПО и технические устройства, позволяющие намного удобнее и быстрее, а главное — точнее создавать макеты будущих объектов.

3D-принтеры способны распечатывать, в зависимости от размеров, части или целые макеты, с точностью, о которой раньше никто и не мечтал. Малейшие архитектурные элементы видны на них столь же отчетливо, как на уже построенных зданиях. Стоимость самих макетов становится ниже, а скорость изготовления — выше.

Есть технологии, позволяющие печатать сразу в цвете, причем не только из гипса или бумаги, но и из композитного пластика, дающего возможность печатать градиентами и с разной степенью прозрачности.

Применяются эти технологии и любителями, хобби которых — создание миниатюр. Например, масштабных моделей различной техники, как стендовых, так и функциональных.

Скоро макеты и модели будут неотличимы от настоящих объектов. Не считая явной разницы в размерах, конечно.

Образование

Не так давно в школах появился новый предмет — технология. В рамках этой дисциплины школьники изучают цифровое производство. В том числе 3D-печать и сканирование, создание 3D-моделей.

В Москве есть FabLab при МИСиС, созданный в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом; в Санкт-Петербурге их два: FabLab Politech и FabLab Spb.

ЦМИТы (Центры молодежного инновационного творчества) — аналогичные формирования, не относящиеся непосредственно к сети FabLab, их ещё больше.

Все эти образовательные учреждения в полной мере используют последние достижения 3D-технологий — 3D-принтеры и сканеры, 3D-ручки и другое оборудование.

В ближайшем будущем сеть ЦМИТов будет расти, и они станут неотъемлемым элементом образования. Можно ожидать появления подобных организаций в каждом населённом пункте и каждом районе крупного города, что обеспечит рост технической образованности населения и скорейшее развитие связанных с этой областью технологий и сегментов бизнеса.

Быт и сфера обслуживания

3D-печать идеальна для создания всевозможных полезных мелочей для дома.

Хороша она для печати запчастей к сломавшейся бытовой технике, фурнитуры для мебели и многого другого.

Можно создать с нуля игрушку для ребёнка или скачать 3D-модель из интернета и придать ей уникальности в программе-редакторе.

Такая игрушка по себестоимости будет дешевле покупной и гораздо интереснее для ребенка, поскольку он будет вовлечен в процесс ее создания.

Купив 3D-принтер, родители могут печатать хоть несколько разных игрушек в день: от простых до самых сложных и развивающих — благо, тысячи моделей уже доступны для бесплатного скачивания.

Можно украсить свое жилье статуэткой любимого человека или себя самого — уже доступна услуга сканирования и печати 3D-портрета, как бюста, так и в полный рост. В том числе и полноцветного.

Постоянно разрабатываются всё новые и новые материалы для трёхмерной печати, обладающие всевозможными механическими и эстетическими свойствами, а 3D-принтеры и расходники постоянно дешевеют. Через несколько лет такой аппарат может стать неотъемлемой частью почти каждого жилища, как сейчас — телевизор. И неудивительно — полезность этого устройства в быту сложно переоценить.

Еда

Существует несколько серийно выпускаемых и достаточно популярных пищевых 3D-принтеров. Одни из них печатают конфеты любой заданной формы из специального расходного материала. Такие аппараты почти ничем не отличаются от обычных 3D-принтеров. Есть и более специализированные инструменты.

Например, английский Choc Creator печатает шоколадом как плоские картины (например, для оформления тортов), так и объемные объекты.

Принтер Foodini создан для печати еды из свежих продуктов.

Конструкция позволяет загрузить в него несколько различных ингредиентов и получать на выходе разнообразные блюда. Фиш-н-чипс, например:

Или полезных овощных динозавриков:

Есть и специальный принтер для блинов, позволяющий печатать блины и оладьи любой формы. Он, кстати, и стоит относительно недорого, и в обращении прост. На фото Pancake Bot готовит блин в виде космонавта и наш логотип.

Технология создания пищевых 3D-принтеров совершенствуется. Можно предположить, что в ближайшем будущем появятся недорогие и общедоступные кухонные 3D-принтеры, как специализированные, так и универсальные, в идеале — совмещенные с кухонным комбайном и духовкой.

Итого

Как мы видим, технологии цифрового производства распространились во все области деятельности человека. Это неудивительно, учитывая их полезность и относительную простоту работы с ними.

Рынок аппаратов для 3D-печати и сканирования постоянно растет, а вместе с ним — разнообразие представленных моделей и материалов для печати. Увеличивается качество работы 3D-принтеров — скорость печати и разрешение, диапазон применимых материалов и размеры рабочих областей. Цены же становятся всё ниже.

В ближайшие годы эта технология получит еще большее распространение и кардинально изменит представления о производстве вещей, делая их более доступными и уникальными. А это, если задуматься, скажется на культуре производства и потребления и изменит облик повседневной жизни человека.