Трехмерная печать
Печать на первый взгляд не очень увлекательный предмет, но это если забыть о необычайных возможностях трехмерной печати. От пластмассовых автомобилей до бионических ушей из гидрогелей - почти ничто не ограничивает потенциал этой новой методики, и инженеры аэрокосмической промышленности уже печатают металлические части ракет и самолетов.
С XX века главное в производстве чего угодно — массовость. Вы придумываете продукт, который, кажется, понравится в среднем любому человеку, а затем отыскиваете способ производить этот продукт массово. Массовое производство автомобилей. Вишневых пирогов. Компьютерных чипов.
Что же ждет нас в веке XXI? Массовое индивидуальное производство — продукты потребления по заказу, подогнанные под индивидуальные нужды и доставляемые массово. Нам больше не надо будет соглашаться на стандартные продукты, ориентированные на «среднего человека» (то есть ни на кого конкретно). Хотите приспособить сиденье у себя в авто, чтобы ездить вам было действительно удобно — и без всяких там рычагов? Массовое индивидуальное производство даст вам такую возможность. Как же производителю дать каждому потребителю то, что он хочет? Трехмерной печатью.
Многообещающая печать
Печать издавна была вотчиной химиков. Тысячи лет назад чернила для письма изготовляли из природных материалов, и пигментом в них обычно служил углерод. Ныне чернила для печати — сложные смеси веществ, в том числе пигментов, смол, противопенных добавок и загустителей. Меж тем оборудование для трехмерной печати печатает из чего угодно — от пластмасс до металлов. Некоторые трехмерные принтеры могут работать лишь с каким-нибудь одним материалом — подобно черно-белым принтерам на бумаге, но есть и такие, что умеют сочетать разные материалы в одном предмете (подобно цветной печати на одном и том же принтере).
«Вообразите, что ваш принтер подобен холодильнику, где полно всякой еды, из которой можно состряпать любое блюдо по рецептам Джейми Оливера» Лерой «Ли» Кронин (р. 1973), британский химик
Общее у всех технологий трехмерной печати одно: они выстраивают заданные им предметы послойно на основе информации из цифрового файла, который содержит описание двумерных сечений предмета. Системы компьютерного проектирования (САПР) позволяют создателям конечных продуктов разрабатывать сложные дизайны и печатать их быстро, а не кропотливо собирать из миллиарда деталек. Предел мечтаний аэрокосмических инженеров — напечатать спутник. Но кое-какие штуки, уже печатаемые трехмерно, все равно поражают воображение: бионические уши, черепные имплантаты, компоненты ракетных двигателей и наномашин, не говоря уже о полноразмерных демонстрационных автомобилях.
Чернила для трехмерной печати
Печать предметов типа автомобилей или ракетных двигателей с высокой надежностью потребует развития методик печати из металла. Эта область интересует ребят из НАСА, а также из Европейского космического агентства, начавшего проект под названием «Эмейз» («Удиви») по печати деталей ракет и самолетов. Преимущества — экологичность, нуль отходов, возможность печатать гораздо более сложные металлические детали, поскольку выводятся они послойно.
Процесс трехмерной печати и «чернила» зависят от выбранной методики. Уже разрабатывается целый спектр разных способов трехмерной печати. Ближе всего к старой доброй бумажной трехмерная струйная печать: слои порошков и связующих материалов закладываются поочередно и образуют разнообразные материалы от пластмасс до керамики.
Стереолитография же, к примеру, применяет луч УФ-света для активации смол. Этот луч врисовывает дизайн в смолу, слой за слоем, и она застывает в заданной форме. В 2014 году исследователи из университета Калифорнии, Сан-Диего, применили этот метод в попытке напечатать биосовместимый прибор из гидрогеля, который мог бы заменить человеческую печень — улавливать яды в крови.
Но шире всего распространена, вероятно, методика печати послойным наплавлением —последовательным наложением полурасплавленных материалов. Пластмассы нагревают, после чего напрямую подают в сопло. Немецкая производственная компания ЭДАГ разработала метод производства автомобиля футуристического вида под названием «Генезис» из термопластика, послойным наплавлением, но с некоторыми усовершенствованиями, и объявила, что сможет аналогичным способом производить сверхлегкие и сверхкрепкие кузова из углеродного волокна. Раз «Боинг» уже создает детали своего «Дримлайнера» из углеволокна, почему бы не напечатать трехмерно целый самолет?
В малых масштабах
Трехмерная печать меняет наши представления о дизайне и производстве, и в громадном, и в крошечном. Микропроизводство электронных приборов — одна из многообещающих областей, и в самом деле уже возможна печать микросхем и малюсеньких приспособлений на литиевых батарейках. Энтузиасты-электронщики обрели возможность быстро придумывать и создавать индивидуализированные микросхемы. Краудфандинговая платформа «Кикстартер» помогла компании «Картезиан» разработать принтер, способный печатать микросхемы на различных материалах, в том числе и на тканях, и так создавать электронику, которую можно носить на себе, как одежду.
Нанотехнологи уже нацелились печатать наноприборы. По одной методике можно печатать молекулами по поверхности с помощью зонда атомного силового микроскопа. Впрочем, контролировать поток «чернил» в таких масштабах все еще затруднительно. Возможное решение — электроспиннинг, то есть натягивание заряженного полимера на противоположно заряженную запечатываемую поверхность. Чтобы материал приклеивался в точности туда, куда надо, в поверхность можно вживить схему.
Неудивительно, что все так увлеклись трехмерной печатью: ее творческие возможности неисчерпаемы. Есть очевидные преимущества у нее и с точки зрения потребителя: долой массовое производство, даешь автомобили из углеродного волокна с идеально подогнанными креслами — и безупречно подходящие протезы.
Печать веществ
Группа ученых из университета Глазго пробует применить трехмерную печать в производстве миниатюрных химических наборов, в которые можно впрыскивать реагенты-«чернила» и изготавливать сложные большие молекулы. Одно потенциальное применение таких систем - производство лекарств на заказ и дешево, по инструкции, выдаваемой «программой» разработчика лекарства.
Трехмерная печать частей тела
В сентябре 2014 года в журнале «Прикладные аспекты материалов и поверхностных явлений» появилась статья, сообщающая, что группа австралийских химиков и инженеров создала трехмерной печатью имитацию хрящевой ткани человека. Австралийцы взяли в качестве исходного материала гидрогели с высоким содержанием воды и укрепили их пластмассовым волокном. Оба компонента были впечатаны в конечную форму одновременно в жидком виде, а затем их отвердили УФ-светом. В результате получился крепкий, но гибкий композит, очень похожий на хрящевую ткань. Впечатляет? Это вы еще не слыхали о пациентах, у которых в черепе теперь напечатанные трехмерно имплантаты. В 2014 году Университетский медицинский центр в Утрехте, Нидерланды, объявил, что одной пациентке с болезнью костей (утолщением черепных пластинок, от которых уже случился ущерб мозгу) заменили значительную часть черепа - аналогом, изготовленным трехмерной печатью. Один китаец, лишившийся половины черепа при несчастном случае на стройке, теперь ходит с новеньким, отпечатанным из титана. Из всего этого следует, что можно печатать индивидуализированные имплантаты любому пациенту.