Spausdintas pasaulis

(Withinlab nuotr.)

Trimatis spausdinimas pagal skaitmeninius projektus pakeis gamybą, ir jos galės imtis daugiau žmonių.

Britiški viršgarsiniai oro laineriai „Concorde“ buvo renkami Filtone, netoli Bristolio. Tame pačiame plačiai nusidriekusiame sklype, kur stovi aerodinaminis vamzdis, viename pastate kuriamas dar nuostabesnis dalykas. Aparatas lėtai „spausdina“ sudėtingą, beveik bato dydžio važiuoklės gembę iš titano, kurį įprastu atveju tektų kruopščiai išpjauti iš metalo gabalo. Gembės tik pradžia. Filtone dirbantys mokslininkai turi didesnių ambicijų – atspausdinti oro lainerio sparną.

Kad ir kaip nerealu, yra daugybė kitų žmonių, kurie, pasitelkę trimačio spausdinimo technologiją, irgi kuria nuostabius dalykus: medicininius įsodus, papuošalus, kiekvieno pėdai pritaikytus futbolo batelius, lempų gaubtus, lenktyninių automobilių detales, kietojo kūno elektros šaltinius, specialaus dizaino mobiliuosius telefonus ir ne tik. Yra netgi gaminančių mechaninius prietaisus. Doktorantas Peteris Schmittas iš Masačusetso technologijos instituto (MIT) atspausdino mechanizmą, panašų į mechaninį laikrodį. Pavyko ne iš karto, bet galų gale iš trimačio spausdintuvo jis išėmė plastikinį laikrodį, pakabino jį ant sienos ir patraukė atsvarą. Laikrodis pradėjo tiksėti.

Inžinieriai ir dizaineriai su trimačiais spausdintuvais dirba daugiau kaip dešimtmetį; dažniausiai norėdami greitai ir pigiai pagaminti prototipą, kad vėliau galėtų imtis brangios veiklos – įrengti naudoti skirtų daiktų gamyklą. Kadangi trimačių spausdintuvų charakteristikos pagerėjo ir jau galima naudoti įvairesnes medžiagas, įskaitant gamybinį plastiką ir metalus, tokiais spausdintuvais vis dažniau gaminami ir galutiniai produktai. Pasak Terry Wohlerso, vadovaujančio tyrimų bendrovei, kurios specializacija – ši sritis, dabar per 20 proc. to, ką atspausdina trimačiai spausdintuvai, yra galutiniai produktai, o ne prototipai. Jis prognozuoja, kad iki 2020 metų ši dalis išaugs iki 50 proc.

Trimačių spausdintuvų kaip gamybos įrankių naudojimas pramonėje buvo pramintas „adityvine“ gamyba (palyginti su senuoju, „subtrakciniu“ metodu, kai metalas pjaunamas, gręžiamas ir plakamas). Adityviniam procesui reikia mažiau žaliavų, o kiekvieną egzempliorių galima gaminti kitaip be jokių brangių įrangos modifikacijų, nes trimačius spausdintuvus valdo programinė įranga. Taip pat spausdintuvai gali iškart gaminti galutinius produktus, kurių beveik nereikia montuoti, ir daiktus, kuriuos tradiciniais metodais būtų sudėtinga pagaminti, pavyzdžiui, Londone įsikūrusi įmonė „Within Technologies“ pagamino pirštinę (nuotraukoje). Ją galima spausdinti iš nailono, nerūdijančiojo plieno arba titano.

Pagaminti vienu spragtelėjimu

Jeigu detales ir gaminius bus galima spausdinti, gamyba gali pasikeisti, nes sumažėtų sąnaudos ir rizika. Pastoviąsias sąnaudas padengti norinčiam gamintojui nebereikės gaminti tūkstančių arba šimtų tūkstančių vienetų. Kai masto ekonomija nebeturės reikšmės, masinė vienodų vienetų gamyba galbūt nebebus būtina arba tinkama, ypač kai spausdinant trimačiu būdu daiktus neretai galima pritaikyti individualiems poreikiams. Išties yra manančių, kad gaminius ateityje vartotojai siųsis kaip skaitmeninę muziką ir spausdinsis juos namie arba vietiniame trimatės gamybos centre, dizainą pritaikę savo skoniui. Tikriausiai tai tolima svajonė. Tačiau nauja industrinė revoliucija visai tikėtina.

Trimatis spausdinimas gali atrodyti keistai. O iš tiesų beveik taip pat spausdinamas skaitmeninis failas, pavyzdžiui, laiškas, kuris į rašalinį spausdintuvą perduodamas kompiuteryje paspaudus spausdinimo mygtuką. Tik trimačiame spausdintuve vietoj rašalo naudojama medžiaga, iš kurios, vienas po kito dedant plonus sluoksnius, suformuojamas vientisas objektas.

Sluoksnius apibrėžia programinė įranga, kuri pagal kompiuterinį projektą sudaro skaitmeninių pjūvių seką. Tuomet pjūvių aprašymai perduodami trimačiam spausdintuvui, kuris formuoja atitinkamus sluoksnius. Sluoksniai lipdomi įvairiais būdais. Pavyzdžiui, galima ant padėklo paberti miltelių, kurie sukietėja ir reikiamą formą sudaro įšvirkšus skysto rišiklio, arba juos galima sukepinti lazeriu ar elektronų spinduliu. Yra aparatų, kurie naudoja lydytą plastiką. Kad ir kaip būtų daromi sluoksniai, vieną užbaigus padėklas milimetro dalele nuleidžiamas žemiau ir pridedamas naujas sluoksnis.

Filtone trimačius spausdintuvus mokslininkai pradėjo naudoti detalių prototipams gaminti, norėdami juos išbandyti aerodinaminiame vamzdyje. Ši komanda priklauso „EADS Innovation Works“ – tai Europos gynybos, aviacijos ir kosmoso grupės EADS, kuri yra „Airbus“ gamintoja, tyrimų padalinys. Tradicinė detalių prototipų gamyba dažnai esti labai brangi, nes tai vienetiniai gaminiai. Trimačiai spausdintuvai tai galėjo daryti efektyviau, taigi mokslininkai pradėjo galvoti apie tiesioginę komponentų gamybą.

Nemažai struktūrinių lėktuvų elementų orlaivių gamintojai jau gamina iš lengvų anglies pluošto kompozitų, o ne metalo. Tačiau netgi nedideliam oro laineriui tebereikia kelių tonų brangaus aviacinio titano. Tokios detalės paprastai būdavo gaminamos iš vientiso ruošinio, ir kartais tekdavo nupjauti net 90 proc. medžiagos. Orlaivių gamyboje tokios drožlės niekam nebetinka.

Tą pačią detalę gamindama adityviai, EADS naudoja titano miltelius. Bendrovės trimačiai spausdintuvai ant padėklo paskleidžia apie 20–30 mikronų (0,02–0,03 mm) sluoksnį, kurį lydo lazeriai arba elektronų spindulys. Nesunaudotus miltelius galima naudoti kitą kartą. Kartais objektus gali tekti apdoroti staklėmis, bet vis tiek, palyginti su kitais atvejais, žaliavų jiems tereikia 10 proc. Be to, sunaudojama mažiau energijos nei įprastoje gamykloje. Kartais procesas netgi vyksta sparčiau.

Yra ir kitos svarbios naudos. Metalinės ir plastikinės detalės paprastai projektuojamos gamybai, taigi jos gali būti griozdiškos ir jose gali būti funkcijai nereikalingas, bet norint pagaminti būtinas medžiagos perteklius. Trimačiam spausdinimui tai negalioja. „Medžiagą dedi tik ten, kur jos reikia“, – sako vadovaujantis EADS projekto inžinierius Andy Hawkinsas. Jo komanda gamina dailesnes, netgi elegantiškas detales, nes atsikračius gamybos suvaržymų jas galima geriau pritaikyti paskirčiai. Palyginti su staklėmis pagaminta detale, atspausdintoji yra apie 60 proc. lengvesnė, bet tebėra tvirta.

Prie funkcijos pritaikyta forma

Gaminti lengvus orlaivius – nepaprastai svarbu. Oro lainerio svorį sumažinus 1 kg, per metus galima sutaupyti kuro apytikriai už 3 tūkst. JAV dolerių ir, savo ruožtu, sumažinti išmetamą anglies dvideginio kiekį. Taigi adityvinė gamyba gali praversti norint ekologiškesnių orlaivių, ypač jei bus galima atspausdinti visas oro lainerio detales iš titano, kurių yra apie tūkstantis. Nors didelių detalių spausdinti kol kas neįmanoma, nes trimačiai spausdintuvai nėra dideli, EADS grupė mano, kad galima sukurti ir didesnių sistemų, įskaitant tinkančią 35 metrų ilgio karkasui, ant kurio gaminami kompozitiniai oro lainerių sparnai. Komponentus iš titano tuomet būtų galima spausdinti tiesiai ant sparno konstrukcijos.

Daugelis mano, kad pagrindinis šios technologijos plėtros postūmis bus geresnės adityviniu būdu pagamintų daiktų charakteristikos. Neabejotinai taip mano P. Schmittas iš MIT, kuris domisi „originaliais mechanizmais“. Jie surinkti ne iš atskirų detalių, o sukurti tokios formos, kokia išplaukia iš projekto sumanymo. Pretenduoja į meniškumą, ar ne? Iš tiesų iš Vokietijos kilęs P. Schmittas anksčiau studijavo meną ir amžinai kaulydavo, kad jam leistų padirbėti gamyklinėmis tekinimo ir frezavimo staklėmis mechanizuotoms skulptūroms kurti. Dabar jis kuria neįprastus servo mechanizmus – pagrindinius robotų komponentus. Specializuoti servo mechanizmai kainuoja daug brangiau už standartinius. Anot P. Schmitto, turėtų būti taip: užuot nurodęs, kaip daryti servo mechanizmą, roboto kūrėjas turėtų tiesiog nurodyti servo mechanizmo paskirtį, o informaciją perduoti trimačiam spausdintuvui. Aparato programinė įranga pati turėtų žinoti, kaip pigiai pagaminti reikiamą daiktą. „Gamyba tuomet bus prieinamesnė“, – sako P. Schmittas.

Mintis, kad trimatis spausdintuvas pats parinks spausdinamų gaminių formą, sudomino architektę ir dizainerę Neri Oxman, kuri vadovauja tyrimų grupei, MIT medijos laboratorijoje nagrinėjančiai naujus gamybos būdus. Ji kuria spausdintuvą, kuris leis tyrinėti, kaip galima kurti naują dizainą. N. Oxman mano, kad, pasitelkus gamtos įkvėptus principus, objektus būtų galima projektuoti ir konstruoti kitaip, gaunant formas, kurių be adityvinės gamybos sukurti neįmanoma. Ji jau yra pagaminusi įvairių daiktų – nuo skulptūros iki šarvų, ir netgi dairosi į pastatus, kuriuos statant betono sluoksnius piltų kompiuterio valdomi purkštukai.

Kai kurios trimatės sistemos leidžia keisti spausdinamo daikto savybes ir vidinę struktūrą. Antai šiais metais „Within Technologies“ tikisi pristatyti medicininius įsodus iš titano, kurie turi į tikrą kaulą panašių savybių. Įmonės siūlomas šlaunikaulio įsodas yra tankus ten, kur reikia standumo ir tvirtumo, bet turi ir tvirtų tinklinių struktūrų, kurios kaului leistų įaugti į įsodą. Palyginti su įprastais įsodais, mažiau tikėtina, kad šie įsodai pasislinks.

Anot „Within Technologies“ generalinio direktoriaus Siavasho Mahdavi, turint galimybę keisti tokias smulkias vidines struktūras, objekto standumą ir lankstumą galima apibrėžti bet kuriame taške. S. Mahdavi kuria kitas tinklines struktūras, įskaitant aerodinamines kėbulo detales lenktyniniams automobiliams ir specialius vidpadžius vienai įmonei, kuri viliasi pagaminti patogiausius smailiakulnius batelius pasaulyje.

Kita susijusi įmonė „Digital Forming“ (kurioje S. Mahdavi yra technologijų direktorius) naudoja trimačio projektavimo programinę įrangą ir masinės gamybos prekes vartotojams padeda pritaikyti savo poreikiams. Pavyzdžiui, ji siūlo paslaugą mobiliųjų telefonų bendrovėms, kurių abonentai internete gali keisti išsirinkto telefono formą, spalvą ir kitas korpuso savybes. Programinė įranga leidžia rinktis tik įmanomus variantus. Pateikus dizainą, atspausdinamas korpusas. Įmonės vykdomoji direktorė Lisa Harouni sako, kad šis procesas tiktų beveik visiems plataus vartojimo produktams nuo papuošalų iki baldų. „Neabejoju, kad ši technologija pakeis gamybos būdus“, – sako ji.

Kitos tarnybos vartotojams leidžia įkelti savo projektą ir užsakyti jo spausdinimą. Pernai nuo olandų elektronikos bendrovės „Philips“ atsiskyrusi „Shapeways“, kuri įsikūrė Niujorke, siūlo asmeniniams poreikiams pritaikytą trimatę gamybą arba „masinę gamybą pagal užsakymą“, kaip ją pavadino įmonės generalinis direktorius Peteris Weijmarshausenas. „Shapeways“ kas mėnesį atspausdina per 10 tūkst. unikalių produktų, o medžiagos aprėpia didžiulę įvairovę: nuo nerūdijančiojo plieno iki stiklo, plastiko ir smiltainio. Kreipiasi individualūs asmenys ir parduotuvių savininkai, kurie savo parduotuvėms dažnai užsako papuošalų, dovanų ir niekučių.

Anot lazeriniais trimačiais spausdintuvais prekiaujančios vokiečių įmonės EOS, tokius spausdintuvus plastikinėms ir metalinėms detalėms gaminti jau naudoja automobilių gamintojai, aviacijos ir kosmoso bendrovės bei plataus vartojimo prekių gamintojai. Odontologai irgi. Anot EOS, vienas aparatas per dieną gali pagaminti iki 450 dantų karūnėlių, ir kiekviena bus pritaikyta atskiram pacientui. Kai kurie karūnėlių technikai džiaugiasi, kai per dieną pavyksta pagaminti tuziną. Atlikdama inžinerinius bandymus, EOS iš itin gerų parametrų pramoninio polimero­  atspausdino smuiko detales, kurias surinko profesionalus smuikų gamintojas ir išbandė smuikininkas.

Ir EOS, ir Mineapolyje įsikūrusi „Stratasys“, kuri gamina trimačius spausdintuvus su plastiko liejimo technologija, savo aparatais spausdina detales, iš kurių pagamina dar daugiau spausdintuvų. „Stratasys“ netgi mėgina atspausdinti automobilį arba bent jau jo kėbulą, kurį užsakė bendrovė „Kor Ecologic“ iš Vinipego – jos vadovas Jimas Koras kuria hibridinį elektromobilį „Urbee“.

Puiku, kad gaminami mažai sveriantys, vertingi ir individualizuoti komponentai, bet ar adityvinė gamyba išties gali konkuruoti su masinės gamybos metodais, tobulintais ilgiau kaip šimtmetį? Vargu ar ji nušluos įsitvirtinusius metodus, bet jau aišku, kad greta frezavimo staklių, presų, metalo ir plastiko liejimo įrangos gamyklose ateityje veiks ir trimačiai spausdintuvai, kurie iš išvardytų mechanizmų perims vis daugiau darbo.

Sinsinatyje įsikūrusi „Morris Technologies“, įmonėms teikianti inžinerijos ir gamybos paslaugas, viena pirmųjų pradėjo rimtai investuoti į adityvinę gamybą. Iš pradžių ji tiesiog norėjo greitai gaminti prototipus, bet įmonės atstovai sako, kad 2007 metais įmonė suvokė, jog „gimsta nauja pramonė“, taigi buvo įsteigta kita įmonė „Rapid Quality Manufacturing“, kurios pagrindinė veikla – adityviniu būdu didesniais kiekiais gaminti detales. Anot įmonės, per kelias valandas arba dienas pagal kompiuterinius projektus galima pagaminti daugybę nedidelių ir vidutinių detalių iš gamybinio metalo – įprastais metodais tam reikėtų kelių dienų arba savaičių. Be to, spausdintuvai gali dirbti be priežiūros ir visą parą.

Neilas Hopkinsonas neabejoja, kad trimatis spausdinimas su masine gamyba konkuruos ne vienoje srityje. Lafboro universitete dirbanti jo komanda išrado greitaveikę kepinimo sistemą. Joje čiurkšlinės galvutės ant sluoksnių iš polimerų miltelių purškia rašalą, kuris sugeria infraraudonuosius spindulius, ir miltelius kepinant infraraudonaisiais spinduliais išeina vientisos formos. Be kitų projektų, grupė tyrinėja, kaip gaminti plastikines sagtis pagrindiniam JAV žiemos sporto reikmenų gamintojui „Burton Snowboards“. Tokios sagtys paprastai gaminamos į formas liejant plastiką. Anot N. Hopkinsono, naudojant jo procesą vieneto savikaina būtų 40 centų – gerokai mažiau nei liejant formoje. Be to, būtų paprasta pakeisti dizainą, ir „Burton Snowboards“ nereikėtų išleisti didžiulės sumos įrangos modifikacijoms.

N. Hopkinsonas priduria, kad sunku nuspėti, ar greitai pramonė priims adityvinę gamybą. Ir nebūtinai dėl gamintojų konservatyvumo; svarbiau tai, kad kai kurie pokyčiai jau vyksta stulbinamai sparčiai. Vos prieš kelerius metus dekoratyvinių lempų gaubtų darymas trimačiais spausdintuvais atrodė ne itin tikėtinas verslas, tačiau dabar šioje srityje konkuruoja daugybė įmonių, o prekybos apimtys siekia tūkstančius.

N. Hopkinsonas mano, kad Lafbore sukurtas procesas jau gali konkuruoti su liejamąja gamyba, kai reikia pagaminti apie tūkstantį vienetų. Jis tikisi, kad metodą plėtojant toliau, po penkerių metų jis gali būti konkurencingas, kai reikės pagaminti dešimtis, o gal ir šimtus tūkstančių. Kai trimačiai spausdintuvai produktus galės kepti tokiais kiekiais, technologijos užsigeis daugiau gamintojų.

Willas Sillaras iš konsultantų bendrovės „Legerwood“ (Didžioji Britanija) tikisi, kad atsiras, jo žodžiais, „skaitmeninės gamyklos“. Anot jo, bendrovėms nebereikės tiek kapitalo skirti įrangai, vykstančiam darbui ir žaliavoms. Be to, jis mano, kad laikas, per kurį skaitmeniniame projekte įkūnyta idėja taps produktu, sutrumpės net 50–80 proc. Tobulėjant technologijai ir didėjant mechanizacijai, trimatis spausdinimas išpopuliarės, nes leis atsikratyti gamybos suvaržymų ir gaminti naujus produktus. „Rinka pasitiks technologiją“, – sako W. Sillaras.

Sektoriuje yra manančių, kad trimačio spausdinimo poveikis gamybai bus toks pat, kaip rašalinio spausdintuvo – dokumentų spausdinimui. XV a. Johannesui Gutenbergui išradus spausdinimo procesą rankraštinį žodį pakeitė spausdintas žodis. Spaudos presai tapo masinės gamybos mašinomis, galinčiomis itin efektyviai spausdinti daugybę to paties spaudinio kopijų, bet ne atskirų dokumentų. Atsiradus rašaliniam spausdintuvui atskirus dokumentus spausdinti tapo gerokai lengviau, pigiau ir individualiau. Dabar čiurkšliniai prietaisai turi daugybę spausdinimo funkcijų: galima spausdinti užsakomąsias knygas, etiketes, nuotraukas – nors dideliais tiražais knygas, laikraščius ir kitus spaudinius tebespausdina tradicinės spaustuvės.

Ateitis pagal jūsų skonį

Ką tai reikš gamybai? Akivaizdu, kad tai keičia ekonominius individualiems poreikiams pritaikytų komponentų gamybos aspektus. Jei įmonei reikia specifinės detalės, galbūt pigiau ir greičiau ją atsispausdinti netoliese arba pačiam nei užsakyti iš tolimo tiekėjo. Prireikus greitai pakeisti projektą tai netgi labiau tikėtina.

Vakarai neturi trimačio spausdinimo monopolijos; technologiją perima ir kinų įmonės. Tačiau galima manyti, kad dalis gamybos iš pigių Kinijoje ir kitur veikiančių gamybos centrų grįš į Vakarus. Apie tai pernai per vieną konferenciją kalbėjo DHL. Grėsmė logistikos bendrovės verslui akivaizdi: jei įmonei skubiai prireiks detalės, kam jai tokią detalę iš užsienio siųsdintis lėktuvu, jei galima atsispausdinti vietoje?

Turbūt džiugiausias adityvinės gamybos aspektas, kad dabar pigiau imtis gamybos verslo. Užuot ieškojus lėšų gamyklos įrengimui arba vietinio (ar užsienio) stambaus gamintojo prašius pagaminti reikiamą daiktą, galima rinktis trimatį spausdintuvą – pigesnį ir ne tokį rizikingą būdą patekti į rinką. Verslininkas trimačiu spausdintuvu galėtų padaryti vieną arba kelias pavyzdžio kopijas ir patikrinti, ar idėja verta dėmesio. Padaręs dar kelis vienetus galėtų patikrinti, ar juos perka, ir pagal pirkėjų prašymus pakeisti dizainą. Jei sekasi puikiai, jis gali plėsti verslą imdamasis įprastos masinės gamybos arba didindamas trimačio spausdinimo apimtis.

Taigi sėkminga gamyba labiau priklausys nuo idėjų kokybės, o ne gamybos masto. Tačiau vien talento nepakaks. Su trimačiu spausdintuvu sparčiau kopijuoti galima ir geras idėjas, taigi gali būti dar daugiau kovų dėl intelektinės nuosavybės. Ir mėgdžiotojai, ir novatoriai prekes rinkai galės pristatyti negaišdami. Taigi laiko pasinaudoti konkurenciniu pranašumu bus gerokai mažiau nei kada nors. Kaip ir per ankstesnes industrines revoliucijas, daugiausia išlošti gali ne įmonės, o jų klientai. Tačiau, kad ir kas laimėtų daugiau, revoliucija turbūt nebus per stiprus žodis.