Взлетевшая ракета и напечатанный чизкейк: как 3D-печать меняет производство
23 марта с мыса Канаверал взлетела ракета Terran 1, созданная компанией Relativity Space. Ракета примечательна тем, что 85% ее массы распечатано на 3D-принтере. Как утверждается на сайте компании, благодаря этому Terran 1 содержит в сто раз меньше деталей, чем ее традиционные аналоги, а цикл производства занимает всего 60 дней.
Почти одновременно пришла новость о чизкейке, напечатанном на 3D-принтере из семи ингредиентов. Технология изготовления десерта удостоилась научной статьи в журнале npj Science of Food. «3D-кулинария», на первый взгляд выглядящая курьезом, может стать новой отраслью пищевой промышленности.
Трехмерная печать медленно, но верно проникает в производство. Она уже стала испытанным методом изготовления прототипов и индивидуальных изделий, на очереди серийная продукция.
В космос из принтера
На первый взгляд Terran 1 — довольно обычный носитель легкого класса. Две ступени (девять двигателей на первой и один на второй) могут вывести на низкую околоземную орбиту до 1250 кг груза. Нестандартен разве что выбор горючего — жидкий метан. Но Relativity Space не первая компания, пытающаяся превратить природный газ в ракетное топливо. Пару жидкий метан + жидкий кислород осваивают такие гиганты космической индустрии как SpaceX и United Launch Alliance (первая — для экспериментального аппарата Starship, вторая — для перспективного носителя Vulcan).
Необычно в двигателях Terran 1 то, что они изготовлены на 3D-принтере. Эксперименты по трехмерной печати реактивных двигателей ведутся как минимум с 2015 года, но в Relativity Space создали не прототип, а силовую установку, начавшую полетные испытания. Правда, первый запуск закончился неудачей: при отделении первой ступени возникли неполадки. Теперь специалистам предстоит выяснить и устранить причину.
Методом трехмерной печати изготовлены не только двигатели, но и почти вся ракета. В компании называют свое 33-метровое детище самым большим объектом, когда-либо напечатанном на 3D-принтере. Возможно, с этим могли бы поспорить строители, распечатывающие целые дома. Но приходится согласиться, что космическая ракета куда более высокотехнологичное сооружение, чем жилье из песка, глины и рисовой соломы.
Terran 1 еще не закончила испытания, а в Relativity Space уже анонсировали ее преемницу Terran R. Обе ступени этой ракеты, включая двигатели, будут многоразовыми, как и головной обтекатель. Terran R будет способна вывести на низкую околоземную орбиту до 20 т полезной нагрузки. Испытательный пуск намечен на 2024 год.
Компания заключила контракты на запуски Terran 1 и Terran R на общую сумму $1,65 млрд. При этом стоимость запуска Terran 1 оценивается в $12 млн, а для Terran R не раскрывается.
Эпоха скульпторов
Мировой рынок 3D-печати в 2022 году составил почти $17 млрд. При этом эксперты ожидают его роста до 2030 года в среднем на 23% в год, то есть намного быстрее мировой экономики. На промышленные принтеры пришлось 76% выручки, но рынок пользовательских устройств тоже растет. Все больше людей хотят иметь 3D-принтер в маленькой компании, печатающей предметы по индивидуальному заказу, в научной лаборатории, в школе или даже у себя дома. В России самые дешевые модели в розничной продаже стоят менее 30 000 рублей.
Использование трехмерной печати в промышленности основательно «размазано» по отраслям. Лидером в 2022-м стало автомобилестроение, но на него пришлось лишь 23% мировой выручки 3D-индустрии. Остальные 77% распределены по многочисленным другим отраслям. Среди них, например, аэрокосмическая, оборонная и медицинская, особенно стоматологическая. Здесь принтеры нужны для изготовления протезов и имплантатов, а в перспективе и целых органов. Ожидается бурный рост в ювелирной отрасли.
Печать продуктов питания тоже набирает обороты. Правда, эксперты прогнозируют ей довольно узкие ниши. Это, например, изготовление растительного мяса, по консистенции похожего на натуральное. Или создание продуктов для людей с нарушениями глотания. Сейчас они вынуждены питаться всевозможными пюре не слишком аппетитного вида. Столь же нежная по консистенции, но привычно выглядящая еда может стать огромным подарком для таких пациентов. Наконец, врачи получат возможность «конструировать» еду под потребности конкретного пациента, а мастера высокой кухни обретут невиданную свободу творчества.
Как ни соблазнителен аромат напечатанных чизкейков, сегодня основная ниша 3D-принтеров — это изготовление прототипов для серийных изделий. Трехмерная печать позволяет создавать их с огромной точностью.
Ответ Родену
Потенциально 3D-принтеры было бы выгодно использовать и в массовом производстве. Ракеты компании Relativity Space демонстрируют главные преимущества такого подхода. Один и тот же принтер может печатать самые разные детали. Следовательно, конечному изготовителю нужно меньше поставщиков. Кроме того, возможность создавать объекты практически любой формы позволяет обойтись немногими сложными деталями вместо множества простых. Тем самым сводится к минимуму не только процесс сборки, но и количество стыков, соединений, креплений — традиционных слабых мест любой конструкции. При прочих равных условиях все это означает экономию времени, денег и уменьшение вероятности брака. Быстро создать продукт уровня космической ракеты из металлических порошков на одном заводе — это ли не мечта производителя?
Еще один плюс — экономия материала. Промышленность до сих пор следует совету французского скульптора Огюста Родена «взять глыбу мрамора и отсечь все лишнее». Это «лишнее» — не только зря потраченный материал, но и отходы, которые приходится утилизировать. Трехмерный принтер ничего не отсекает и не стачивает. Напротив, он экономно добавляет материал в нужных местах, постепенно наращивает изделие. Не зря технологии 3D-печати называются аддитивными (добавляющими).
Почему же мы до сих пор не ездим на напечатанных авто, не сидим на напечатанных стульях и не едим напечатанные котлеты напечатанными вилками? Потому что на пути массовой 3D-печати есть серьезные (хотя и преодолимые) технологические препятствия.
Сопротивление материала
Старейший метод 3D-печати — стереолитография — был запатентован еще в 1986 году. Суть его в том, что заготовка формируется из пластичной фотополимерной смолы. Когда эта субстанция облучается ультрафиолетом, происходит полимеризация: короткие молекулы сшиваются между собой в длинные, и вещество затвердевает. Понятно, что этот подход не работает с большинством материалов.
Еще один распространенный метод — изготовление из расплавленных нитей (fused filament fabrication), более известное под защищенным торговым названием FDM. В качестве материала используются пластиковые нити, собранные в бухту. Принтер плавит кончик нити и наносит на заготовку размягченный пластик.
Но при всех достоинствах пластмасс многие вещи должны быть металлическими. Почти 53% рынка в 2022 году пришлось на 3D-печать из металла. Здесь чаще всего применяется послойные технологии: cелективное лазерное спекание (selective laser sintering) и cелективное лазерное плавление (selective laser melting). Из металлического порошка создаются тонкие слои, которые приплавляются или припекаются друг к другу лазерным лучом. Часто к порошку добавляется полимерная основа, которая потом выжигается.
У этого подхода есть серьезные недостатки. Во-первых, изделие получается пористым, что не лучшим образом сказывается на его прочности. Этим можно пренебречь при изготовлении прототипа, когда главное — соблюсти размер и форму, но никак не серийной продукции. Во-вторых, такие принтеры работают удручающе медленно: десятки или сотни грамм в час. Скажем, промышленную турбину массой в сотни килограммов установка будет «ваять» несколько сотен часов. Да и размеры принтеров, работающих по этой технологии, весьма ограничены.
Ростки будущего
Гораздо более перспективны технологии прямого лазерного выращивания. В такой установке формируется газовая струя, несущая взвешенный металлический порошок. Лазерный луч плавит металл прямо в струе, а не на поверхности заготовки. Благодаря этому в материале не образуется пор. Кроме того, производительность этой технологии измеряется килограммами в час. Наконец, подобный принтер практически не ограничивает габаритов изделия. Сопло, формирующее газовую струю, и линзу, фокусирующую лазерный луч, можно собрать в небольшой подвижный инструмент, скользящий над заготовкой произвольных размеров. По некоторым оценкам, массовое внедрение этой технологии позволит поднять производительность изготовления металлических изделий в 10 раз и снизить их себестоимость в три-пять раз.
Существует множество других методов 3D-печати. При этом диапазон материалов все время расширяется. Так, в 2018 году была продемонстрирована печать предметов сложной формы из графена, а годом позже — из стекла.
Отметим, что в Relativity Space используют собственный запатентованный метод печати, детали которого не раскрываются. Но, судя по возможности создать 33-метровую ракету за 60 дней, у него все в порядке и с габаритами, и с производительностью. Финансовая сторона вопроса, конечно, пока не вполне ясна. Но история показывает, что если технологию сумели изобрести, ее рано или поздно сумеют и удешевить. Вполне возможно, что в ближайшие десятилетия мы увидим новую промышленную революцию на основе 3D-технологий.