Индустриална революция в три измерения

3D-принтерите най-вероятно ще навлязат на масовия пазар през 2016 г.

В обозримо бъдеще това би трябвало да доведе до създаването на функционални органи, което може да предизвика революция в медицината. 
В обозримо бъдеще това би трябвало да доведе до създаването на функционални органи, което може да предизвика революция в медицината.     ©  shutterstock
В обозримо бъдеще това би трябвало да доведе до създаването на функционални органи, което може да предизвика революция в медицината. 
В обозримо бъдеще това би трябвало да доведе до създаването на функционални органи, което може да предизвика революция в медицината.     ©  shutterstock

Космически кораб катастрофира на непозната планета. Спасителния екип, дошъл на мястото, открива само един "оцелял". По-точно една откъсната ръка. За хората през XXV век обаче това е предостатъчно. Просто ръката се поставя в специална голяма капсула с размерите на човек. Оттам насетне огромният триизмерен принтер започва да изгражда първо скелета, след това органите и меките тъкани, а накрая добавя кожата, косата и т.н. Крайният резултат – напълно завършен възрастен индивид.

Поне така вижда нещата френският режисьор Люк Бесон в научнофантастичния филм "Петият елемент" от вече далечната 1997 г. По онова време за повечето хора дори идеята за изграждане на какъвто и да е материал по този начин изглежда немислима и далечна. Да не говорим за създаването на "съвършеното същество", както е във филма на Бесон. Всъщност дори тогава 3D-принтерите са съществували, макар и в доста по-примитивна форма, а използването им е било ограничено до шепа големи корпорации и военни структури.

Сега близо, 18 години по-късно, този тип машини уверено си проправят път към масовите потребители. Все повече предприемачи прибягват до тях, за да развият своя бизнес. Други дори изграждат целия бизнес модел около тях. Технологично въпросните устройства се развиват все повече, като позволяват да се принтират вещи и предмети от все повече материали и с все по-сложни конструкции. Включително вече се правят и първите стъпки за принтиране на органични, включително човешки, тъкани, макар и не с мащабите, описани от Люк Бесон. В обозримо бъдеще това би трябвало да доведе до създаването на функционални органи, което може да предизвика революция в медицината. Пресъздаването на цял човек обаче все още е твърде фантастична идея, така че надеждите на доста фенове, че ще си принтират Мила Йовович като в "Петият елемент", ще бъдат попарени.

Технологията на 3D-принтирането все пак има потенциал да преобърне представата на хората за производствен процес и за създаването на повечето предмети, които ни заобикалят.

Първи слой

Концепцията на триизмерните принтери е сравнително проста. Те се нуждаят от първичен материал, от който се изгражда съответният предмет – най-често пластмаса или метал. Ако нормалният принтер печата страницата ред по ред, триизмерният му събрат прави това в обем, като изгражда дадената вещ слой по слой. Начинът на работа на устройството предпоставя и съответните разлики в различните модели и класове принтери, както и показва кои са потенциалните предизвикателства пред този тип машини, за да навлязат още по-масово в употреба. Има редица предпоставки последното наистина да се случи. Като започнем от размера, минем през цената, материалите, които може да се обработват, сложността на предметите, които се принтират, както и скоростта на работа, до налагането на прост и лесен начин за използване и наличието на подходящи дизайни.

Основните компоненти за развитието на този тип технологии са материалите и начинът, по който те се полагат слой по слой. Повечето 3D-принтери използват само един вид ресурс – пластмаса, метал, керамика, дърво или дори биологични компоненти. За да се създаде обаче по-сложно устройство, то трябва да може да използва по няколко вида материали едновременно в рамките на един цикъл на принтиране. Основните пречки тук са естеството на самите първични продукти, както и технологията, по която те се наслагват. В повечето случаи се използват такива, които реагират на строго определен вид топлина или светлина, която ги втечнява, за да може после да бъдат манипулирани по съответния начин.

"Всичко опира до вида на материалите, които се ползват - това е основния проблем. След това идва дизайнът, като сегашният е предвиден изцяло за традиционното производство", коментира за "Капитал" Райко Тошев, български учен към финландския университет Vaasan Yliopisto. Тошев и неговия екип работят усилено в сферата, като дори "отпечатват" робот с помощта на 3D принтер.

Комбинацията от два материала може да разшири спектъра на крайните продукти, които да се печатат. Един от начините е използването на технология, подобна на тази на мастиленоструйните принтери. Този процес се прилага за първи път от Objet (сега част от Stratasys) преди седем години и се нарича PolyJet. Концепцията е подобна на боите за стени – смесват се два или повече базови материала в различни комбинации, като така се постигат нови с различни характеристики. Те могат да варират от здрава пластмаса през гъвкава такава и дори до прозрачна субстанция. Развитието на тази технология позволи на триизмерните принтери да правят продукти с няколко цвята. Например Stratasys Objet500 Connex3 позволява да се принтират полиматериални продукти с общо 14 комбинации с 10 различни цвята (чрез PolyJet). Уловката е, че стартовата цена на устройството е 330 хил. долара.

Използването на различни материали е и в основата на принтирането на органична тъкан. Това вече не е част от научната фантастика, като т.нар. биопринтиране вече се използва от някои фармацевтични компании за тестване на продукти. Този подход използва използването на два типа "мастило". Първият е биологичен материал, а вторият е специален хидрогел, който предоставя необходимата среда за изграждане на органичните клетки и тъкани. Екипът на професор Дженифър Люиз от Университета в Харвард от факултета по инженерни и приложни науки стига още по-далеч, като вкарва малки кръвоносни съдове в тъканта. Това се постига, като се добавя трето "мастило", което има необичайна характеристика – да се топи, когато се изстудява. Това позволява на учените да отпечатат мрежа от връзки и след това да ги разтопят, като изстудят материала. Течността след това се изсмуква извън цялата смес и така се изгражда малка мрежа от кухи тръбички (или кръвоносни съдове) вътре в готовата тъкан. Подобно произведение може да се направи единствено чрез използването на технология за триизмерно принтиране, което създава нови възможности отвъд традиционното производство до момента. Въпреки напредъка създаването на цели органи е все още далеч в бъдещето, защото те са съставени от много различни слоеве тъкани и много сложна система от кръвоносни съдове. Но първите крачки в тази посока вече са направени.

Втори слой

Ако първите триизмерни принтери от 80-те или началото на 90-те години са били с размерите на  спалня, сега има вече варианти, които са колкото един нормален мастиленоструен модел. Цената също пада. Вече могат да се намерят 3D-принтери за няколкостотин долара.

Тези параметри обаче са постигнати с доста жертви откъм възможности. В повечето случаи подобни евтини и компактни модели могат да работят само с един тип материали и не могат да създават големи или сложни предмети. Те са бавни и изискват много високо ниво на поддръжка – не само хардуерна, но и софтуерна. Все неща, които биха спрели масовия потребител да си вземе подобна машина вкъщи. В същото време 3D принтерите от най-висок клас предлагат напълно автоматизиран процес, изискват по-малко поддръжка и предлагат възможност за използване на доста повече материали. Размерите и цената съответно скача в геометрична прогресия – добрите модели варират между 6 и 75 хил. долара. За сметка на това доста от техническите ограничения при тях започват да падат. Сред най-скъпите модели има такива, които могат да бъдат до 500 по-бързи в изграждането на даден продукт от досегашните машини, на които им отнема часове или дори дни, докато приключат принтирането.

Тази голяма технологична ножица между отделните класове и съответно между възможностите им все още е спирачка за масовизацията на 3D-принтерите. По-скъпите модели обаче започват да се използват от големите корпорации. Според проучване на консултантската фирма PriceWaterhouse Coopers (PwC), проведено сред 100 водещи индустриални производители, две трети от тях ползват 3D-принтери за изработването на прототипни елементи и машини. Но все пак едва 2% от въпросните компании използват новите устройства за изработването на готови продукти. С други думи – все още има да се извърви дълъг път, докато принтирането измести фабричното производство чрез досегашната поточна линия. Евтините модели пък са базирани на системи с отворен код и имат ограничени възможности, като те най-вече се купуват от стартиращи компании и инженери любители.

Опитите на някои производители да предложат висок клас 3D-принтери на ниски цени до момента показва, че този проблем скоро все пак може да бъде преодолян, като се създаде трети пазарен сегмент. През последната година се появиха устройства с възможности, близки до тези на високия клас, но с цени под 5 хил. долара. По този начин малки и средни фирми ще могат да се сдобият с подобни устройства, чрез които да развиват различни свои иновативни бизнес концепции.

Например принтери като FSL3D и Formalbs предлагат високо качество на принтирането и компактност заради използването на стереолитографска технология, като струват няколко хиляди долара. Друг пример е MarkForged, който позволява да се правят предмети от композитен материал от въглеродни нишки. Устройството е с размерите на нормален принтер и струва по-малко от 5 хил. долара. По изчисления на изследователската фирма Gartner пък триизмерни принтери с високи възможности и качество ще могат да се предлагат за около хиляда долара през 2016 г., а очакванията са цената все повече да се понижава, а да се увеличават техническите характеристики.

Трети слой

Докато технологиите напредват, а цените постепенно намаляват, третият фактор при развитието на 3D-принтерите е еволюцията на самия пазар. Засега големите компании основно експериментират с този тип устройства и ги ползват за бързо изработване на прототипи и доста по-малко за реално масово производство. Малките и средните компании обаче виждат в тях възможност за лесно и бързо разработване на своите продукти и идеи. Все повече стартъпи прибягват до триизмерни принтери, за да направят първите образци на своите устройства или да развиват бизнес, като правят различни предмети с тях. Примери има и в България, като стартиращата компания Arthesis, която разработва персонализирани обвивки за протези чрез 3D-принтиране. Популярността на този тип устройства оттук нататък предимно ще расте, като все повече ще се увеличава вероятността да попаднете на продукт, който да е бил "отпечатан".

Затова и няма да е изненада, че тенденциите са пазарът за триизмерни принтери и услуги, предоставяни чрез тях, се очаква да избухне през следващите години. По данни на изследователската фирма Calays през 2013 г. обемът на този сегмент е бил 2.5 млрд. долара, но през 2018 г. се очаква да достигне 16.2 млрд. долара.

Всички тези фактори ще бъдат катализирани от идеята на технологичните гиганти, които доминират в сферата на потребителската електроника, да навлязат на този пазар със собствени устройства. Досега 3D принтерите от висок клас се произвеждаха от четири специализирани групи – Object Geometries, Z-Corporation, Stratasys и 3DSystems. В ниския сегмент разнообразието е малко по-голямо, но и там липсват компании, които да могат да действат с наистина големи мащаби. През декември обаче Hewlett-Packard и Toshiba обявиха, че ще навлязат в този нов сегмент, а по същото време се появиха и слухове, че Apple също може да пусне собствено устройство.

Първите триизмерни принтери на НР трябва да се появят през 2016 г., а тези на японския гигант – през 2017 г. Двете компании трескаво се опитват да намерят нови ниши, чрез които да си върнат предишната слава на технологични лидери. Покрай революцията на мобилните устройства двата гиганта не успяха да яхнат вълната на ръст на смартфоните и таблетите, което ги кара трескаво да се оглеждат за нови сегменти с висок потенциал, чрез които да се върнат на печалба и към силен растеж. Тяхното навлизане при 3D-принтерите означава, че ще се опитат да вкарат и своето ноу-хау в корпоративния сегмент и могат да докарат до комерсиален мащаб производството на подобни устройства. Както и да стимулират пазара на средния клас устройства, които струват няколко хиляди долара, но са с високи възможности. Тези фактори ще могат да понижат допълнително цената на устройствата като цяло.

Така поне на пръв поглед изглежда, че основните пречки пред масовото навлизане на триизмерното принтиране бързо започват да падат. Въпросът е дали в един момент ще си "печатаме" всичко вкъщи, или ще има хиляди малки предприемачи, ентусиасти, дори магазини, които ще предлагат продукти по поръчка, изработени на място и веднага. Това тепърва ще видим, а дотогава можем само да следим растежа на пазара на триизмерни принтери и на услугите, които произтичат от тях. И от време на време да си "преговаряме" филма "Петият елемент" на Люк Бесон. Защото в едно по-далечно бъдеще няма да е изненада, ако хората вече не се раждат, а биват "принтирани"...