Инновационные системы: достижения и проблемы. В трех частях. Часть I I. Конкретные примеры получения продуктов инновационных систем по странам и направлениям

1.1.8 3D-печать в космосе

Технология объёмной печати вызывает пристальный интерес NASA. Как и герои Роберта Шекли, специалисты NASA понимают, насколько удобнее не тащить на орбиту множество необходимого или только потенциально необходимого оборудования, а изготавливать его прямо в космосе по надобности. Но для этого нужно научить 3D-принтеры работать в условиях невесомости. Этим совместно с NASA занимается компания «Made in Space». Она начала с серии экспериментов в условиях искусственной невесомости, созданной во время полётов в самолётах проекта NASA Flight Opportunities. После этих экспериментов на орбиту был запущен первый 3D-принтер, созданный для работы в космосе. Запуск был произведён с мыса Канаверал с Международной космической станцией в качестве пункта назначения.

Новая «космическая мастерская» стала первым образцом применения 3D-печатных технологий в космосе для создания запасных частей, инструментов и, в особенности, разрешения экстренных ситуаций за счёт немедленного создания срочно требующихся компонентов без ожидания доставки с Земли. 3D-принтер на орбите является разработкой компании «Made In Space» по контракту с Космическим центром Маршалла, входящим в состав НАСА. Установка спроектирована с учётом требований эксплуатации в условиях отсутствия гравитации. По прибытию принтера на космическую станцию он был установлен в специальный изолированный отсек для проведения серии опытных экспериментов по печати. Принтер находился под управлением разработчиков из Made In Space. В ходе экспериментов по 3D-печати в невесомости была напечатана серия опытных образцов, включая детали, инструменты и студенческие проекты, разработанные в ходе программы STEM.

«При разработке принтера для космической станции мы столкнулись с массой всевозможных трудностей. Начиная от регулировки температурного режима и заканчивая жёсткими требованиями безопасности, нам пришлось решать десятки различных проблем, – поделился деталями проекта Аарон Кеммер, генеральный директор Made In Space. – Мы гордимся проделанной работой и рады видеть, что детище команды Made In Space и сотрудников Центра Маршалла, наконец, проходит главное испытание. Это новый этап в обеспечении космических миссий, который произведёт переворот в космической логистике и планировании космических полётов».

«Эксперименты по применению аддитивного производства в космосе со временем приведут к использованию аналогичных технологий на космических станциях, исследовательских аппаратах в открытом космосе и даже в космических колониях будущего, – развивает свою идею Аарон Кеммер. – Возможность быстрого производства ключевых материалов жизненно необходима, если человечество собирается оставить свой след на просторах Вселенной. Это уже будет не просто 3D-принтер и даже не просто орбитальная мастерская – это очередной рывок человеческого прогресса. Впервые в нашей истории мы сможем производить инструменты и части вне пределов планеты. Совершив этот прорыв, мы, наконец, сможем перепрыгнуть через собственные головы – сами небеса более не будут ограничивать ареал применения аддитивного производства. Начинается эра внеземного производства».

Как показало время, 3D-принтер от Made In Space нормально отработал в условиях невесомости и открыл перспективы материализации конфигуратора, про который ещё в 1955 году в своём рассказе «Необходимая вещь» Роберт Шекли рассказал, когда двое космонавтов взяли с собой в межзвёздную экспедицию приспособу для создания из набора первичных элементов всего, что им может понадобиться в космосе – от запчастей для корабля до яблочного штруделя на десерт.

Не отстают от американцев и китайцы. Учёные-разработчики Академии наук Китая (КНР) создали первый в стране 3D-принтер для работы в космосе. Он уже прошёл испытания в обстановке нулевой гравитации на одном из полигонов Франции. Испытания проводились во время полётов на самолёте в условиях микрогравитации. В процессе проведённых испытаний было опробовано два способа 3D-печати с пятью различными материалами. Как утверждают китайские разработчики, их 3D-принтер может выполнять работу с большим количеством материалов, чем 3D-принтер The Zero-Gravity, который был послан на Международную космическую станцию.

По словам директора исследовательского центра Чунцинского университета при Китайской академии наук, изучающего и разрабатывающего технологию 3D-печати, Дуаня Сюаньминя, китайский 3D-принтер даст возможность КНР создать свою космическую станцию. «Космический» 3D-принтер станет в ней устройством, помогающим проводить ремонт и поддерживать функционирование станции более эффективно. Применение такого принтера на космической станции очень сократит расходы на её работу и уменьшит зависимость от поставок с Земли.

Помимо межпланетных полётов, совершенствование космических 3D-технологий может поспособствовать и земным деяниям. На сегодняшний день это фантастика, потому как дорого, но уже сейчас на волне успехов Илона Макса с его проектом удешевления запусков на орбиту Земли увесистых объектов просматривается вполне реальная возможность создания в космосе производств, которые в принципе невозможны на Земле из-за воздействия гравитации.

1.1.9 Гонка производителей 3D-принтеров

А на Земле производители 3D-принтеров в битве за деньги инвесторов и потребителей руководствуются тремя критериями: быстрее, дешевле, точнее.

Быстрее.

В направлении повышения скорости 3D-печати рынок встряхнуло сделанное в 2014 году заявление одного из самых крупных игроков на интересах потребителей по части производства оргтехники – компании «Hewlett-Packard», о создании 3D-принтер серии Multi Jet Fusion, сопровождаемое уверением, что технология, по которой они работают, позволит печатать на порядок быстрее, чем все, что было до них. И понеслось. Признанные лидеры отрасли, такие как 3D Systems и Stratasys, которые уже давно работали над проектами 3D-печати, активизировали свои проекты, чтобы представить на рынок альтернативные конкурентоспособные продукты. За ними подтянулись и все прочие.

Так, компания Desktop Metal разработала 3-D принтер, печатающий из металла, который, по заверениям разработчиков, в разы быстрее и дешевле существующих аналогов. Представители Desktop Metal назвали конкретные цифры: материал для нового принтера будет обходиться в 20 раз дешевле, представленных на рынке, а сам принтер печатает в 100 раз быстрее существующих машин. В результате стоимость производства упадёт в разы, а стоимость продукции, изготавливаемой таким образом – минимум в 10 раз. Благодаря скорости и эффективности этот принтер показывает лучшие результаты, чем экземпляры от NASA и Boeing, и сильно обгоняет принтеры, используемые в различных дизайнерских студиях и компаниях. Инженерный стартап был основан профессорами из МТИ, USA, среди которых Эмануэль Сакс, чьи первые патенты в 3D-печати датируются 1989 годом. Desktop Metal получила инвестиций на 5 млн. долларов от крупных венчурных компаний, среди которых, например, Google Ventures. Для компании важны два направления: она создаёт студийный принтер для быстрой печати металлических прототипов инженерами и 3D-принтер для массовой печати. Согласно описанию технологии, изготовление образцов чуть более сложное, чем в обычных принтерах.

Металлические объекты после печати попадают в ванну со специальным раствором, а после закаливаются при большой температуре. Система проделывает все эти этапы автоматически. Она контролирует время в зависимости от конструкции деталей и исходных материалов. В итоге принтер способен изготавливать 0,008 кубического метра сложных деталей в час. Чтобы было понятнее – это 8 тысяч металлических кубиков с гранью в 1 см. При такой производительности принтер безопасен: не используются ядовитые металлические порошки, отсутствует лазер, все это делает возможным устанавливать такие принтеры прямо в офисе или даже дома. Обслуживание также упрощено: не требуется специальный персонал или оборудование. Стоимость системы с необходимым ПО – 120000 долларов. Сумма кажется большой, но речь идёт о промышленном 3D-принтере, создающим металлические детали любой сложности. Аналогичный по производительности лазерный принтер обойдётся более чем в 10 раз дороже.

В свою очередь Нил Хопкинсон, профессор инженерного производства в Университете Шеффилда, подробно рассказал о том, как его команда работает над новой технологией 3D-печати под названием высокоскоростное спекание (HSS). Новый метод должен сделать возможным быстрое изготовление нескольких деталей с помощью процесса спекания, который сильно отличается от того, который используется сегодня и подразумевает применение лазерных лучей. Принцип работы новой технологии заключается в том, что на порошкообразный материал, который расположен на печатной платформе, с помощью струйного принтера наносится технический углерод. Затем над платформой проходит инфракрасная лампа, под светом которой спекаются только участки, покрытые углеродом. Таким образом, целый слой объекта может отвердеть за несколько секунд. По словам Нила Хопкинсона, итоговая технология может быть в 10-100 раз быстрее, чем все остальные по части 3D-печати, а команда исследователей работает с несколькими партнёрами над лицензированием технологии. Одна из компаний-партнёров Voxeljet уже планирует использовать этот метод в своих новых устройствах. Несмотря на то, что Хопкинсон не назвал других компаний, он отметил, что заинтересованных очень много. Сама по себе технология обладает достаточным потенциалом, чтобы произвести революцию в массовом производстве, поскольку она позволит компаниям изготавливать продукцию в крупных масштабах, в то же время имея возможность быстро изменить функционал устройства без необходимости дополнительной обработки.

Не придавая свою деятельность огласке, технологиями 3D-печати активно занимается стартап Carbon3D – частная компания из Калифорнии, основанная в 2013 году. С момента своего создания Carbon3D занималась разработками инновационного метода 3D-печати, способного совершить революцию в этой сфере. Новую технологию назвали CLIP (Continuous Liquid Interface Production). Компания привлекла более $50 миллионов инвестиций и, между делом, сумела произвести фурор среди широкой публики, представив пару коротких видеороликов, показывающих в действии технологию CLIP. Принцип действия технологию CLIP заключается в использовании света и кислорода для отверждения светочувствительной смолы. По описанию метод схож с привычной и широко известной стереолитографией (SLA), где для отверждения светочувствительной смолы применяется лазер или прожектор, однако новая технология имеет ряд существенных отличий.

В частности, с помощью традиционных технологий 3D-печати, в том числе и стереолитографии, объекты печатаются слой за слоем, что значительно сокращает скорость производства и приводит к созданию хрупких предметов, похожих по своей структуре на сланец. В технологии от Carbon3D для отверждения смолы используется свет, а в качестве подавляющего агента – кислород. Таким образом, объекты действительно сразу печатаются в трёхмерном виде.

«Имеющиеся на сегодняшний день технологии 3D-печати не сумели произвести революцию в сфере производства, несмотря на обещания разработчиков и ожидания рынка, – говорит доктор Джозеф Де Симон, глава и один из основателей компании Carbon3D. – Разработанная нами технология CLIP поднимает планку, позволяя значительно быстрее печатать объекты, обладающие необходимыми механическими свойствами. Кроме того, при 3D-печати по методу CLIP можно использовать материалы, требуемые для производства высококачественных деталей в коммерческих целях».

С применением кислорода в процессе 3D-печати традиционно механическая технология внезапно превращается в фотохимический процесс, позволяющий тонкую настройку. Среди несомненных преимуществ новой технологии – более быстрое изготовление объектов и отсутствие эффекта расслоения. Тем самым, CLIP имеет все шансы вывести 3D-печать на новый уровень. В этом методе применяется специальное прозрачное стекло, проницаемое как для света, так и для кислорода – вроде большой контактной линзы. Устройство способно точно регулировать необходимое количество кислорода и момент его подачи в ёмкость со смолой. Кислород, в свою очередь, используется как подавляющий агент, предотвращающий отвердевание смолы в определённых местах. Таким образом, с помощью света отвердевают все участки, не подверженные обработке кислородом, который создаёт своего рода «мёртвую зону». Внутри смолы кислород заполняет участки толщиной в десятки микрон, в которых фотополимеризация буквально становится невозможной. Затем устройство делает несколько снимков в разрезе с использованием ультрафиолетовых лучей – примерно так же, как происходит показ кино.

Услышав эту новость, трудно избавиться от очевидной мысли – «Эта компания, наверняка, ненастоящая. Как может быть, что кто-то создал революционную технологию подобного рода, но сведения об этом так и не просочились в СМИ?» Развеять сомнения помогает информация о том, что Carbon3D заключила договор о сотрудничестве с Sequoia Capital, одним из старейших и наиболее успешных венчурных фондов в мире, получив финансирование для первой стадии. Средства для второй стадии были предоставлены Silver Lake Kraftwerk.

«Если сфера 3D-печати хочет выйти за рамки ниши создания прототипов, которую она занимает уже десятки лет, то необходимо разработать совершенно новую технологию. Нужно взглянуть на проблему иначе, используя подход, который позволит избавиться от основных недостатков 3D-печати, – говорит Джим Гетц, член совета директоров Carbon3D и партнёр компании Sequoia. – Когда мы встретились с Джо и увидели, что удалось изобрести его команде, нам сразу же стало ясно, что 3D-печать уже не будет прежней».

Другой американский стартап – компания Markforged из Бостона – представил свою технологию 3D-печати на основе углеродного волокна, заявив, что этот способ является одним из самых экономичных и быстрых способов изготовления деталей. Статап привлёк инвестиции в размере 30 миллионов долларов. В числе акционеров значатся Siemens, Microsoft Ventures, Porsche SE и ряд других крупных компаний. Ранее Markforged представил 3D-принтеры для металической 3D-печати, стоимостью в 100 тысяч долларов, использующие ту же скоростную технологию печати. Отличие новых аппаратов заключается в том, что детали из углеродного волокна во многом не будут уступать металлическим, а в ряде случаев смогут их полностью заменить, при этом скорость печати по сравнению с обычными 3D-принтерами возрастёт до 50 раз, сообщил представитель компании-производителя.

«Мы стремимся сделать 3D-печать не просто новым и модным веянием, а хотим дать людям возможность создавать любые предметы почти мгновенно, как это делает репликатор из Стар Трека. Нынешние технологии 3D-печати не могут удовлетворить все потребности человека: они медленно печатают, долго соображают, а конечный результат зачастую дорог и далёк от идеала. Мы хотим это изменить», – заявил генеральный директор Markforged Грег Марк.

Полученные от инвесторов деньги компания планирует пустить на разработку устройств, способных сделать 3D-печать максимально простым и эффективным процессом, который в конечном итоге может оказаться полезен тем же Porsche и Siemens.

Дешевле.

Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории стали первыми, кто смог распечатать на 3D-принтере композитный материал на основе угольных нитей. Этот способ производства может сделать процесс создания материала дешевле и открыть новые возможности для использования углеродного волокна. Углеродное волокно представляет собой лёгкий, но жёсткий и прочный материал с высокой стойкостью к температуре. Это делает его актуальным для аэрокосмической, оборонной и автомобильной промышленности, а также для таких видов спорта, как сёрфинг и гонки на мотоциклах. 3D-печать открывает новые возможности для использования углеродного волокна. Полученный материал может быть использован для изготовления крыльев самолёта, элементов спутника или терморегулирующейся одежды.

Учёные из Массачусетского технологического института успешно испытали первый ракетный двигатель, изготовленный из пластмассового корпуса, который полностью напечатан на 3D-принтере. Для печати исследователи использовали нейлоновый материал с микроуглеродистыми волокнами, которые обеспечили двигателю дополнительную прочность и термостойкость. Во время первого испытания такой двигатель смог достичь сверхзвуковой скорости, отделавшись лишь незначительными повреждениями. Отмечается, что корпус двигателя разработан только для одноразового использования, однако учёные решили повторно протестировать свою разработку. Инженеры использовали более мощное ракетное топливо, из-за которого сопло расплавилось. Специалисты уже начали совершенствовать разработку, чтобы сделать пластиковый двигатель более надёжным. В будущем учёные планируют создать пластиковый летательный аппарат. Отмечается, что принтеры, печатающие ракетные двигатели из металла стоят дорого, их ценник начинается с шестизначных цифр. Такие принтеры уже использовали SpaceX и NASA. Принтер Массачуссетского технологического института «Markforged Mark Two» стоит гораздо дешевле – 13,5 тысяч долларов. Это даёт возможность специалистам с ограниченным бюджетом создать ракетные двигатели. Кроме того, инженеры отметили, что разработка будет пользоваться спросом среди космических агентств, которые создают одноразовые ракеты.

Компания Stratasys по заказу немецкого аэрокосмического агентства распечатала прототип робота, который будет исследовать Марс. Робот TransRoPorter разработан немецким аэрокосмическим агентством. Однако вместо строительства классического металлического прототипа, инженеры попросили Stratasys распечатать его на своём огромном 3D-принтере Fortus 900mc. «Обычный прототип – это слишком дорого, – говорит разработчик робота доктор Кай Фюрер, – а 3D-принтер позволяет снизить расходы в несколько раз». TransRoPorter состоит из движущейся платформы и модуля Payload для исследований. Все части, включая электронику, были воспроизведены на 3D-принтере. Для того, чтобы прототип выдержал испытания условиями, близкими к марсианским, Stratasys использовала для печати сверхпрочный термопластик ASA.

Как сообщила фирма Tiko 3D, 3D-принтер обещает стоить не более холодильника. Разработчики задались целью тщательно проработать и максимально удешевить каждый элемент устройства, чтобы в итоге получить продукт, который легко произвести и использовать даже в домашних условиях и поддерживать в работающем состоянии долгое время. Получившийся принтер для аддитивной печати они обещают продавать всего за $179. Главное достижение конструкции нового 3D-принтера TIKO – это его цельный корпус. Обычно это одна из самых дорогих деталей. Для обеспечения высокой точности печати трёхмерные принтеры оборудованы скреплёнными вместе отдельными направляющими, которые обеспечивают движение печатающей головки. Их положение необходимо тонко отрегулировать перед началом использования принтера и постоянно проводить корректировку. На это затрачивается довольно много времени, что неминуемо ведёт к издержкам и увеличению стоимости. Корпус TIKO имеет рельсы с внутренней стороны, в которые встроены уже предварительно отрегулированные алюминиевые направляющие. Такая конструкция делает их практически единым целым. В итоге в процессе печати возможность смещения сопла головки практически исключена, что позволяет печатать с точностью до 50 микрон при отсутствии каких-либо дорогих сверхточных компонентов. Важным своим достижением инженеры считают треугольную форму корпуса принтера (его ещё называют дельта-принтером), который оснащён тремя наборами держателей для печатающей головки. Кроме этого часть устройства, где происходит печать, полностью защищена от внешних факторов, таких как ветер или любые другие движения воздуха. Принтер также оборудован внутренним акселерометром и автоматически отключается, если его что-то побеспокоило, например, дети. Принтер TIKO оснащён расплавляющим печатный материал перед нанесением ожижителем, который не требует активного наружного охлаждения. То есть в конструкции устройства отсутствуют дорого-стоящие шумные вентиляторы, которые заменены системой вентиляционных отверстий. Ещё одна приятная особенность TIKO – это его гибкая подложка со специальным покрытием, с которой легко снять готовое изделие. В качестве «чернил» в TIKO может быть использована нить из полилактида, АБС-пластика, нейлона или высокопрочного полистирола. Загрузить катушку с материалом так же просто, как поменять картридж в обычном лазерном принтере – достаточно просто открыть крышку. Размеры нового дельта-принтера составляют всего 390 на 221 на 237 миллиметров, а его вес – всего 1,7 кг, без учёта катушки с нитью. Общий объём области, где происходит печать – 2,27 литра.

Точнее.

Калифорнийская компания Microfabrica разработала технологический процесс, сочетающий в себе трёхмерную печать, при которой структуры формируются путём послойного нанесения материала, с технологиями, используемыми в производстве микросхем, где ионы металла наносятся на поверхность электролитическим методом. Этот процесс позволяет создавать изделия тончайшей структуры из слоёв металлов толщиной всего в 5 мкм. Существующие многоструйные 3D-принтеры, распыляющие пластики через сопла, позволяют получать слои толщиной 16 мкм. При этом проблема создания деталей микроскопических размеров становится всё острее по мере развития технологий: вся продукция, начиная от потребительской электроники до медицинской аппаратуры, продолжает уменьшаться в размерах. Новый метод открывает возможности создания новых типов устройств и миниатюризации существующих. В частности, по инициативе DARPA компания Microfabrica создала крошечный радиатор для охлаждения компьютерных микросхем и миниатюрный часовой механизм для боеприпасов. Кроме того, она разработала миниатюрные хирургические инструменты, в частности, щипцы диаметром меньше миллиметра для биопсии и трёхмерные подложки для скаффолд-технологии, связи которых позволяют им растягиваться по мере размножения клеток.

«Мне не известны какие-либо 3D-принтеры с более широкими возможностями», – сказал Кэрол Ливермор, профессор механики и промышленной техники из Северо-Западного университета. Эта разработка стала новым шагом на пути к общедоступности современных технологий, с одной стороны, и, с другой, к переходу промышленности к новой идеологии конкуренции, которой уже давно придерживаются производители компьютерной техники – заботиться больше о том, чтобы опережать конкурентов, нежели о защите все быстрее устаревающих разработок».

Несколько ранее американские физики и инженеры из университета Вайсса разработали технологию трёхмерной печати литиевых элементов питания. Размер полученных батарей составлял около миллиметра, а главной сферой применения разработчики называли вживляемые устройства. При этом подчёркивалось, что электроды новой батареи получаются тоньше человеческого волоса, в то время как процесс печати полностью автоматизирован и использует уже существующие модели трёхмерных принтеров. Основной проблемой, которую пришлось разрешить учёным, являлся подбор «чернил», материала, используемого принтером. Исследователям удалось подобрать вещество, которое сочетает высокую электрическую проводимость со способностью мгновенно затвердевать при контакте с воздухом и сохраняться жидким внутри принтера. Кроме того, разработчикам печатной микробатареи пришлось подобрать состав, содержащий оксид лития. После того, как принтер сформировал электроды и добавил оксид лития в виде наночастиц, батарея закрывалась корпусом и заливалась электролитом. Все изделие в сборе сопоставимо по размеру с песчинкой. Это позволяет обеспечить долговременную работу вживляемым приборам для мониторинга крови и других параметров в организме пациента.

Цифровые технологии уже широко применяются в производстве ювелирных изделий, бижутерии и аксессуаров. Трёхмерное 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/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. Кроме того, уже есть 3D-принтеры печатающие непосредственно драгметаллами, но пока цена порошка для таких машин слишком высока для постоянного применения.