Философский камень XXI века

Алексей Анпилогов

23 февраля 2017 0

на вопросы «Завтра» отвечает директор лаборатории Vankon Иван Коновалов

" ЗАВТРА". Наш сегодняшний разговор будет посвящён интересной теме — постепенному приходу в наш мир технологий трёхмерной печати. И мой первый вопрос: что такое аддитивные технологии и почему их так назвали?

Иван КОНОВАЛОВ. "Аддитивными" эти технологии назвали от английского глагола to add — "добавлять, плюсовать". Такое название эта группа технологий получила потому, что при их использовании происходит постепенное, послойное создание трёхмерного объекта, которое получается последовательным добавлением плоских слоёв в общий объём готового изделия.

" ЗАВТРА". А насколько инновационны аддитивные технологии? Ведь есть два противоположно-взаимоисключающих подхода к 3D-печати: с одной стороны, есть мнение, что "всё это не более чем дорогие игрушки", но, с другой стороны, есть и вторая крайность — что аддитивные технологии являются чуть ли не современным аналогом средневекового "философского камня", использование которого может превратить любой технологический процесс в машиностроении в "кнопочно-рутинное" программирование 3D-принтера, который уже сам всё сделает — от столовой ложки до лопатки турбореактивного двигателя!

Иван КОНОВАЛОВ. Я считаю, что с появлением аддитивных технологий мы получили ни много ни мало — новую промышленную революцию. Такая оценка отнюдь не сверхоптимистична: при должной организации работы с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), непосредственно связанных с 3D-принтерами, мы можем получать готовые изделия, полностью соответствующие требованиям конструкторов и разработчиков, уже через 3-4 часа после того, как окончательная цифровая модель создана средствами САПР. Даже десять лет тому назад процесс проектирования шёл через сложные этапы создания проекций и чертежей, потом — пластилиновых или гипсовых моделей, потом изготавливались на отдельном оборудовании опытные образцы — а теперь, с применением 3D-принтеров, это можно сделать "в один проход", и это не будет стоить слишком дорого. То есть срок доводки, отладки, испытания и приёмки изделия сокращается радикально, а сама структура промышленного производства, которая раньше была намертво привязана к громадным цехам, испытательным полигонам, большим производственным коллективам и множественным отделам в конструкторских бюро, становится избыточной. Условно говоря, завтра и самолёт, и ракету, и автомобиль при желании можно будет разработать на кухне, а собрать в соседнем гараже, при этом они будут иметь качество серийного изделия, и их изготовление не отнимет десятилетия напряжённого труда. Но, конечно, у существующих технологий 3D-печати есть свои ограничения, их тоже надо учитывать.

" ЗАВТРА". А какие сейчас есть ограничения у 3D-принтеров? Что они могут, а что им недоступно? Они могут, например, сразу сделать деталь из высокопрочного стального сплава?

Иван КОНОВАЛОВ. Вот об этих ограничениях я и упомянул. Нет, как раз из стали пока что 3D-принтеры ничего сделать не могут: нет такой технологии, которая могла бы точно и прочно спечь стальной порошок и получить готовое изделие, сравнимое по физическим и химическим свойствам с продукцией фрезерного или токарного производства. Последнее достижение аддитивных технологий в "стальном мире" — это лишь высокопрочная точечная сварка стальных конструкций, в такой технологии сейчас, например, собирают мост в Голландии, где все операции по соединению стальных балок производит робот. Однако, как вы понимаете, от такого подхода до "отливки" готового стального моста по 3D-модели всё-таки дистанция серьёзного размера.

С другой стороны, в части других металлов у 3D-принтеров есть серьёзные успехи, в первую очередь — в рамках развития технологий SLS (выборочное лазерное спекание) и SLM (выборочная лазерная плавка). SLS и SLM-принтеры уже освоили такие материалы, как алюминий и углепластики. Например, детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные методом SLM, были приняты по качеству даже НАСА. Хотя они несколько уступают по плотности материала деталям, изготовленным литьём и сваркой, но отсутствие сварочных швов благоприятно влияет на прочность изделий, и в итоге получается то же самое качество, приемлемое даже для ракетной техники.

Основное препятствие применения мощной SLM-технологии в "стальном мире" сегодня — это вопрос создания качественных и дешёвых порошков для последующего спекания лазерами высокой мощности. Как только материаловедение решит задачу создания таких порошков — 3D-принтеры закроют практически весь спектр используемых человечеством материалов, кроме, пожалуй, самых экзотических. И вот тогда это станет настоящим "философским камнем": из горы невзрачного серого порошка можно будет собрать и собор, и яхту, и космический корабль.

" ЗАВТРА". Если речь зашла об экзотических материалах — то, возможно, стоит рассказать о медицине и опыте вашей лаборатории в создании весьма сложных "деталей", потом попадающих в человеческий организм?

Иван КОНОВАЛОВ. Да, медицинская сфера — нагляднейший пример того, как аддитивные технологии позволяют решать массу задач, которые невозможно было сделать пилой, зубилом или даже фрезерным станком с ЧПУ. На сегодняшний день очень масштабные разработки в медицинской отрасли связаны с 3D-печатью искусственных суставов, скелетных костей, элементов черепа и позвоночника. То, что сейчас доступно для больных людей и инвалидов в виде весьма ограниченного набора стандартных титановых или полимерных имплантатов-заменителей, которые надо подгонять и адаптировать под свойства и особенности конкретного человека, уже в промежутке трёх-пяти лет можно будет легко и массово получать в виде готовых имплантатов, созданных на основе компьютерной томографии (КТ). То есть напечатанный имплантат будет полностью повторять вышедшую из строя человеческую кость — в силу чего и сама операция пройдёт проще, быстрее пойдёт процесс заживления и реабилитации. В стоматологии эти технологии уже активно применяются, причём не только в западных странах, но и в России. Сегодня можно на основании той же КТ изготовить индивидуальные коронки для замены разрушенных зубов, и точность такой коронки будет в районе 10-15 микрон, это практически полный аналог живого зуба, человек не чувствует замены.

" ЗАВТРА". Так что, отдавать ребёнка в медицинское училище на зубного техника уже безнадёжное занятие? Его заменят 3D-принтером?

Иван КОНОВАЛОВ. Ну, всё не так трагично. В конце концов, с исчезновением московских извозчиков появились водители московских такси и машинисты метро. Так что, думаю, и в вопросе зубных техников всё не так печально — им надо будет просто переквалифицироваться в специалистов по стоматологическим аддитивным технологиям, которые будут знать о компьютерной томографии, фотополимерах и принтерах гораздо больше, чем сегодня знают о своих нехитрых инструментах. Вместо работы руками предстоит работа головой — разве это не вариант?

Более того, оказывается, что компьютерное моделирование позволяет уйти в более щадящие технологии и с точки зрения самих пациентов. Например, с помощью специальных накладок-кап сегодня можно безболезненно поменять прикус, что раньше приходилось делать установкой травмирующих и неудобных брекет-систем. Сейчас же изменение прикуса моделируется компьютером, а человек просто постоянно носит во рту корректирующую капу-накладку, которая день за днём двигает зубы так, как это рассчитал компьютер, оказывая на них точное управляющее давление. А результат один — ровные зубы, приятная улыбка, правильный прикус.

" ЗАВТРА". Зубы, кости, суставы… Это ещё можно понять и принять. А насколько реальны утверждения о том, что завтра можно будет "напечатать" послойно если не всего человека, то, по крайней мере, какие-то его органы, целиком состоящие из живых клеток, а не из костной и соединительной ткани, которые мы уже смогли воспроизводить достаточно уверенно?

Иван КОНОВАЛОВ. Пока что мягкие, "живые" человеческие органы и их печать находятся за пределами возможностей аддитивных технологий. Я здесь подчёркиваю именно слово "технологии", поскольку мы говорим не о каких-то смелых опытах в научных лабораториях, а о массовом явлении, которое влияет на нашу жизнь, изменяет наши представления о ней. Известно, что в США проводятся уже около десятка лет опыты по печати небольших участков достаточно простых тканей — кожи, мышц, кровеносных сосудов. Наибольшим успехом было создание в 2006 году из человеческих клеток имплантатов мочевых пузырей, с которыми люди живут и сегодня. Однако сама индустрия печати человеческих органов из живых клеток только зарождается, в настоящее время большая часть таких работ выполняется практически вручную, а при помощи 3D-делают только незначительную часть — создание плоской структуры слоя ткани. Но перспективы в этой сфере, конечно, захватывающие.

Это обычная ситуация — например, один из столпов современной 3D-печати, так называемая стереолитография (сокращенно — SLA) появилась на уровне лабораторных опытов ещё в 1960-х годах, когда впервые были получены стабильные результаты в виде "засветки" лазером фотополимеров в жидком состоянии, в результате чего в толще раствора полимера в жидком состоянии с помощью когерентного света формировали сложную пространственную структуру. Однако первый SLA-принтер был запатентован только в 1986 году, а создан в виде эффективного промышленного изделия десятилетием позже. Ну, а на нынешние высокие стандарты качества SLA-технология и вовсе вышла в середине 2010-х годов. Это обычный "шаг технологии": от идеи и опыта до массового применения и устоявшейся технологии всегда проходят не месяцы, но годы и даже десятилетия. Поэтому печать живого человеческого сердца я жду лет через десять, не раньше.

" ЗАВТРА". Живое сердце? А что, есть неживое? Оно-то зачем?

Иван КОНОВАЛОВ. Не смейтесь. Неживые, инертные модели органов мы печатаем на 3D-принтерах уже сегодня. И нужны они не пациентам, а врачам. Печень, почка, поджелудочная железа — это сложные трёхмерные органы, которые хоть и похожи у всех людей, но имеют разное положение полостей, протоков, сосудов и нервов, находящихся в них. В силу чего любой хирург, который проводит операцию на живом органе (а других-то нет!) какие-то подробности об их строении часто выясняет уже во время операции, когда его скальпель доходит, например, до неприятной вены, которая мешает работе. Да, до момента операции хирург всегда изучает и рентгеновские снимки, и плоские разрезы КТ, но всё равно — он работает с трёхмерным органом, работает в состоянии стресса и ограничений по времени, может допускать ошибки, действовать в неудачном ключе. А мы поступаем иначе: на основе последовательных срезов КТ делаем точную трёхмерную модель нужного человеческого органа из материала, похожего на живые ткани (пластик или силикон), после чего она попадает к хирургу — и он уже может спокойно разработать план операции, посмотреть, куда ведут его разрезы скальпеля, не пересекают ли они важные артерии или нервные окончания. И это, как оказалось, радикально экономит время — по оценкам, время операции сокращается в два-три раза, вместо двух-трёх часовой операции можно иногда справится за сорок минут, если у врачей была модель оперируемого органа. А это уже, согласитесь, технология.

То же — и в создании так называемых хирургических шаблонов, когда из такого же инертного материала создаётся накладка на орган или на ткань, которая не позволяет хирургу отклониться от оптимального направления в положении хирургического инструмента, повредить не те ткани или соседние здоровые органы. Тут самый наглядный пример тоже будет из области стоматологии: сегодня мы печатаем на 3D-принтерах высокоточные хирургические шаблоны для установки зубных имплантатов. В прошлом, до их прихода в медицину, имплантаты, особенно устанавливаемые в нежную верхнюю челюсть, иногда пробивали её верхний свод и выходили своими концами в слизистую или даже в полость гайморовой пазухи, вызывая потом постоянные воспаления в ней. Сейчас это осложнение исключили — в том числе и за счёт применения хирургических шаблонов.

" ЗАВТРА". А где ещё нашли своё "место под солнцем" аддитивные технологии?

Иван КОНОВАЛОВ. Уже традиционно для ХХ и XXI веков — любая новая технология что-нибудь да приносит в военной сфере. Так, на многих современных американских военных кораблях нашлось место 3D-принтерам, которые используются для печати запасных частей для военной техники. Это связано с тем, что военно-морской флот часто действует в удалении от своих ремонтных баз и складов снабжения, а возить с собой всю номенклатуру запасных частей, добиваться 100% надёжности или разбирать другие единицы такой же военной техники на предмет недостающих запасных частей — всё-таки ущербные и половинчатые варианты. В случае промышленного 3D-принтера всё выглядит не в пример элегантнее: всё, что нужно для его работы, — это электроэнергия, запас соответствующего полимерного раствора или металлического порошка, да полный набор цифровых чертежей и 3D-моделей потребных запасных частей. После чего при использовании 3D-печати можно сократить перевозимый на корабле склад запасных частей до минимума, а остальное получать из чрева 3D-принтера, когда эта запчасть сломалась и критически нужна.

" ЗАВТРА". А насколько реальны страхи, что распространение 3D-печати приведёт к тому, что завтра любой преступник или террорист сможет напечатать автомат Калашникова в любом сарае?

Иван КОНОВАЛОВ. Это, в общем, скорее "страшилки" массового бессознательного. Да, в сети уже полно видеофайлов, в которых американские граждане браво стреляют на заднем дворе из очередного пластикового пистолета, напечатанного на 3D-принтере. За кадром остаётся только то, что все эти изделия оказываются реально одноразовыми, рассчитанными именно на эти один-два выстрела для ролика на "Ютуб". И дело тут не только в слабости 3D-печати в части создания металлических деталей — в конце концов, знаменитый австрийский пистолет "Глок-17" большей частью сделан из высокопрочного термостойкого пластика, что и обусловило эргономичность и низкий вес этого пистолета.

Слабость нынешней массовой технологии 3D-печати, упомянутой SLA-стереолитографии — в том, что она пока ещё недостаточно точна для целей оружейного дела, её нижний предел точности находится где-то на уровне 16 микрон. Этого вполне хватает для многих бытовых приложений, но у стрелкового оружия требования повыше.

Однако и тут технология не стоит на месте — уже появились комбинированные станки, которые объединяют 3D-принтер и высокоточный фрезерный станок, причём создание готового изделия в них идёт непрерывно, в один проход. То есть такой агрегат удачно сочетает преимущества старой и новой технологий, и вот на нём уже можно создать всё что угодно, в том числе и то, что незаконно.

" ЗАВТРА". Что же тогда будет с абстрактными "токарями и фрезеровщиками 6-го разряда"?

Иван КОНОВАЛОВ. Это, безусловно, вопрос социальных изменений. С одной стороны, нельзя сказать, что нынешние аддитивные технологии — "детский конструктор", который можно приобрести в соседнем супермаркете и получить литейный, токарный и фрезерный цех на полке своего гаража. Нынешние промышленные 3D-принтеры, которые используют последние достижения SLA, SLS и SLM технологий, комбинированные обрабатывающие центры — это оборудование стоимостью в сотни тысяч и даже миллионы долларов. Так что "мгновенная смерть" ни токарям, ни фрезеровщикам уж никак не грозит — даже крупные и процветающие предприятия будут использовать аддитивные технологии на наиболее сложных и ответственных участках, где старые технологии были неэффективны или катастрофически трудозатратны. С другой стороны, если рассмотреть рынок в динамике, то тенденция очевидна: на сегодняшний день в России уже установлено и работает около десятка промышленных 3D-принтеров, которые могут закрыть задачи в авиастроении, оборонной промышленности, создании космических аппаратов. Если речь идёт о профессиональных машинах, которые используются, например, в медицинской сфере, то таких принтеров уже сотни. Так что я думаю, что с течением времени перед нынешними производственными рабочими встанет простой вопрос: или переквалифицироваться и постигать тонкости и сложности аддитивных технологий — или соглашаться быть "слабым звеном", роль которого будет постоянно уменьшаться.

" ЗАВТРА". Получается, только бесправному и низкооплачиваемому гастарбайтеру на московской стройке опасаться нечего? Его-то на дорогущий принтер никто не заменит!

Иван КОНОВАЛОВ. И это тоже неправильный взгляд. Аддитивные технологии уже пришли и в такую традиционную отрасль, как строительство. Более того, тут у России есть свои уникальные наработки: российская компания недавно сделала строительный принтер, который может печатать стены здания из стандартного бетона, заливая конструкции стен по заранее разработанному плану. К достоинствам этого изделия можно отнести его дешевизну: его создатели понимали, что конкурировать их детищу надо будет как раз с низкоквалифицированной и дешёвой рабочей силой, которую массово используют российские застройщики. С другой стороны, сделать такой бетонный принтер было гораздо легче, чем принтер, использующий лазерное спекание порошка или стереолитографию: в здании не нужны микронные точности, там и миллиметров вполне достаточно. В итоге получился достаточно интересный строительный принтер, и им уже заинтересовалась отрасль.

" ЗАВТРА". А куда завтра шагнёт аддитивная технология?

Иван КОНОВАЛОВ. Во-первых, конечно, за аддитивными технологиями останется в ближайшее время всё мелкосерийное и опытное производство — тут им нет равных ни по стоимости, ни по удобству, ни по срокам исполнения заказов. Во-вторых, везде, где нужна персонализация изделия, тоже будут использоваться различные технологии 3D-печати — такой подход открывает совсем другой мир, отличный от мира ХХ века, который прошёл под сенью известной фразы Генри Форда, сказанной им по поводу его легендарного автомобиля "Форд-Т": "Цвет автомобиля может быть любым, при условии, что он чёрный". Это фраза подчёркивала торжество индустриального подхода, в рамках которого потребитель был не более чем очередным "винтиком" в машине капиталистического способа массового производства. Аддитивные технологии позволяют уйти от этого диктата: автомобили будут не только "любого цвета", к чему мы уже привыкли, но и вообще — любыми. Любой формы, любого размера. Хватило бы вам фантазии и порошка с фотополимером.

Ну, и в-третьих, всегда нужно, конечно, учитывать оборотную сторону любой технологии. Если гипотетический "капитализм будущего" сможет остаться решающей силой — то мы сможем увидеть не только "новые органы в кредит", но и, например, "гамбургеры и пиццу из белковой массы, крахмала и пальмового масла", которую бесправным рабочим будут выдавать холодильники-принтеры в обмен на трудодни на самых тяжёлых и опасных работах. А в случае неуплаты по счёту людей будут лишать и такой "помойной еды" из принтера-пищераздатчика. Неприятный мир? Не спорю. Ведь, в конечном счёте, использование и развитие любой технологии зависит только от нас самих, и только нам решать: будут ли 3D-принтеры спасать жизни — или их приспособят для производства оружия и синтетической еды взамен натуральной.

" ЗАВТРА". Большое спасибо за интересную и содержательную беседу.

Материал подготовил Алексей АНПИЛОГОВ