16.05.2017

В трехмерном измерении

Первые 3D-принтеры появились еще в 80‑х гг. прошлого века, но были способны напечатать лишь несложные изделия из пластика. Сегодня этим уже никого не удивишь – создать свою мини-копию можно даже на домашнем 3D-принтере.

Огромный потенциал в этой технологии увидели ученые из разных областей, и теперь на таких принтерах печатают автомобили, дома, еду и даже человеческие органы. «ЭПР» разобралась, как 3D-технологии способны изменить мир.

От макета до оригинала

Прежде всего, надо разобраться с механизмом работы 3D-принтера. Существует множество видов 3D-принтеров, различных по устройству и принципам работы, но суть их заключается в методе послойного создания физического объекта. Цифровая 3D-модель объекта обрабатывается в специальной программе и делится на множество поперечных слоев. Принтер за счет многократного прохождения одних и тех же участков наслаивает слои друг на друга и склеивает между собой – либо с помощью специального бесцветного клея, либо вместо клея может быть использован сплавляющий лазер или ультрафиолет. 3D-печать может осуществляться с использованием различных материалов, что открывает большой простор для ее применения.

Сначала 3D-принтеры использовались для создания скульптур, уменьшенных моделей машин, самолетов или зданий. Сегодня стало возможным напечатать на принтере автомобиль, самолет и дом в натуральную величину.

В 2013 году широкой публике был представлен первый автомобиль, созданный с помощью 3D-принтера. Автомобиль был спроектирован канадским инженером Джимом Кором. Он состоит из металлического трубчатого каркаса, обшитого 50 пластиковыми элементами, а на его сборку потребовалось 2,5 тыс. часов. Автомобиль оснащен двумя электромоторами. Благодаря своей массе в 544 кг он обладает низким коэффициентом лобового сопротивления и способен проезжать исключительно на электротяге почти 65 км. В последние годы интерес к 3D-автомобилестроению только возрастает. Экспериментальные модели появились у таких компаний, как Local Motors, Audi, Ford.

Детали, отпечатанные на 3D-принтере, используются и в самолетостроении такими гигантами, как Airbus, Boeing и Lockheed Martin. Так, компания Boeing планирует заменить запасники тысяч запчастей файлами для 3D-принтера. Если необходимо, нужная деталь будут распечатана в считанные минуты, и это поможет избавиться от нужды хранить детали в запасниках. Один из основных подрядчиков американского военного ведомства, корпорация Lockheed Martin, также уже давно и активно пользуется 3D-технологиями, изготавливая методом скоростной трехмерной нанопечати большую часть деталей своих беспилотных самолетов Polecat.

Такие крупногабаритные объекты, как дома, казалось бы, напечатать сложно. Однако сегодня есть живые примеры домов в разных уголках мира, которые были напечатаны с использованием 3D-печати бетоном.

В 2015 г. шанхайская компания WinSun анонсировала сначала строительство десяти 3D-печатных домов, возведенных за 24 часа, а после напечатала пятиэтажный дом и особняк. Для печати был использован гигантский 3D-принтер высотой в шесть метров, шириной десять и длиной сорок метров. В качестве материала использовалась смесь, состоящая из цемента, стеклопластика, песка и специального отвердителя. Экономия строительных материалов составила порядка 60 %. Затем эта же компания в мае 2016 г. построила офисное здание Dubai Future Foundation – первое в мире офисное здание, напечатанное на 3D-принтере. В нем есть электричество, водоснабжение и вентиляция. В марте этого года стало известно, что компания заключила контракт с властями Саудовской Аравии. Планируется построить полтора миллиона жилых домов, все здания будут построены из деталей, изготовленных с помощью технологии 3D-печати.

Компания Apis Cor первой в мире смогла создать портативный 3D-принтер, способный печатать целые здания прямо на строительной площадке, а не собирать их из отдельных деталей. Дом площадью 38 кв. метров был построен в феврале этого года в подмосковном Ступино. Несущие стены, перегородки и ограждающие конструкции напечатали за сутки. Цена дома со всеми коммуникациями составила всего 10 тыс. долл.

Трехмерная печать для энергетики

Трехмерные принтеры могут пригодиться и в энергетике. Так, в начале этого года компания Siemens первой в мире использовала инновационную технологию 3D-печати для производства оборудования, предназначенного для атомной электростанции в Словении. На принтере напечатали импеллер противопожарного насоса на замену старой части, которая эксплуатировалась с 1981 г. Так как производителя оригинальной детали уже не существует, сотрудникам пришлось создавать виртуальную копию нужной детали.

Исследователи из Цюриха по технологии 3D-печати создали миниатюрный проточный окислительно-восстановительный аккумулятор. Такие аккумуляторы используются для длительного хранения энергии, вырабатываемой солнечными и ветряными электростанциями. Однако обычно они отличаются довольно крупными габаритами, а аккумулятор из принтера получился толщиной всего 1,5 мм.

Для альтернативной энергетики трехмерная печать действительно может стать прорывом. Уже сейчас ведутся разработки, которые должны позволить создавать очень тонкие солнечные батареи, которые можно распечатать на непропитанной бумаге, пластике или бумаге вместо дорогого стекла.

Освоение 3D-технологий активно идет в России. В госкорпорации «Росатом» уже создан и успешно проходит испытания пилотный образец для печати сложных изделий из металлических порошков методом лазерного давления. Программное обеспечение также будет отечественным, оно создано специалистами корпорации.

Над разработкой 3D-технологий работают ученые из разных регионов страны. В Самарском университете создали камеру сгорания авиационного газотурбинного двигателя, «выращенную» с помощью технологий 3D-печати. Пермские ученые разработали 3D-принтер, который позволяет печатать заготовки абсолютно любых размеров и может заменить целый литейный цех. Заготовки, напечатанные на новом принтере, можно использовать в авиастроении, машиностроении, энергетике, металлургии и других отраслях.

Стейк для космонавта

Технология струйной печати подразумевает возможность использовать в качестве чернил все, что может течь, в том числе составляющие некоторых продуктов. Удивительным продуктом из 3D-принтера стала обычная человеческая еда. Напечатать еду стало возможным благодаря принтерам, заправленным «съедобными чернилами».

Пока чаще всего на трехмерных принтерах делают сладости (особенно популярен шоколад, так как он легко плавится и быстро застывает), но вообще продукты из принтера могут иметь любой вкус и цвет. Все зависит от фантазии и типов добавок – идеальная имитация привычных продуктов вовсе не обязательна. Некоторые проблемы возникали с печатью куска мяса, пока американская компания Modern Meadow не научилась выращивать животные мышечные клетки и использовать их в качестве чернил для трехмерной печати. Теперь не проблема распечатать стейк или даже кусок сала.

Уже сейчас эксперты говорят о том, что трехмерные принтеры могут коренным образом изменить мировой рынок продовольствия. О важности новой технологии можно говорить уже потому, что разработки получали финансирование от NASA – такая система пригодится в длительных космических экспедициях.

Сегодня еду, сделанную с помощью 3D-принтера, подают в некоторых американских и европейских ресторанах. Перспектива внедрения трехмерной печати продуктов в жизнь впечатляюща – ведь для того, чтобы идеально воспроизвести блюдо гениального повара, достаточно будет загрузить его рецепт в домашний 3D-принтер.

Печень в очереди на печать

Пожалуй, самой спорной с этической точки зрения является трехмерная печать человеческих органов. Изначально 3D-принтеры использовали в медицине при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). В 2013 г. американские хирурги провели уникальную операцию мужчине, который в автокатастрофе лишился части костной ткани черепа. Они заменили кости черепа на 75 % имплантатом, распечатанным на 3D-принтере из высокотехнологичного полимера, используемого для биомедицинских протезов.

Затем ученые перешли от создания протезов к выращиванию настоящих человеческих органов. Устройство, способное создавать органы и ткани, послойно нанося клетки друг на друга, получило название 3D-биопринтер.

В начале этого года испанские ученые разработали технологию получения человеческой кожи. «Распечатанная» кожа полностью идентична натуральной – состоит из эпидермиса и дермы, биологически активна и сама производит коллаген, придающий ей эластичность.

Из стволовых клеток медики пытаются напечатать донорские органы. В принтер загружаются клетки пациента, и это дает гарантию, что новый орган не будет отторгнут иммунной системой. Ученым из американской биотехнологической компании Organovo в 2013 г. удалось напечатать на биопринтере печень. Образец прожил 40 дней и реагировал на введение лекарств и аллергенов, как настоящий полноценный орган. Заинтересован в разработках трехмерной печати органов и российский фонд «Сколково». Здесь в прошлом году на российском 3D-принтере была напечатана щитовидная железа. Ее имплантировали в организм лабораторной мыши, где она успешно функционировала. Однако, в отличие от костных тканей, напечатанные внутренние органы пока что не могут быть пересажены в организм человека из‑за отсутствия кровеносных сосудов.

Еще несколько лет назад 3D-принтеры считались чем‑то вроде экзотики, а сегодня появляется все больше трехмерных принтеров, ориентированных на домашнее использование. Преимущества 3D-принтеров неоспоримы – они могут создавать объекты практически любой сложности и использовать для печати больше сотни типов материалов. Послойное создание предмета подразумевает практически полное отсутствие отходов. Для создания фактически любого объекта не нужно ничего, кроме самого принтера и материала для печати. Возможно, через несколько десятков лет 3D-принтеры станут такой же привычной вещью, как телевизоры или смартфоны.

Источник: газета "Энергетика и промышленность России", № 8 (316) апрель 2017 года, рубрика "Энергетика: особый взгляд"

Дата публикации: 16.05.2017