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

Австралийские учёные изобрели 4D-печать для создания изменяющихся во времени объектов. Они решили модифицировать 3D-принтеры, добавив измерение времени и позволив напечатанным продуктам изменять свои свойства под воздействием внешних факторов. Работу выполнили учёные Вуллонгонгского университета, специализирующиеся на физике полимеров и электроматериалов: Шэннон Бакарич, Марк Панхуис, Роберт Горкин и Джоффри Спинкс. Они выбрали для создания своих прототипов расходный материал из гидрогеля из-за его способности изменять свой объём под воздействием внешних факторов. В качестве примера учёные Вуллонгонгского университета создали «умный вентиль», который способен автоматически закрываться, если по нему начинает течь горячая вода. По словам Марка Панхуиса, для таких устройств не требуется дополнительная сборка по сравнению с 3D-принтерами – всё отличие заключается в используемых материалах.

По тому же пути в направлении 4D-печати пошли и исследователи из Университета Джорджии, которые разработали 3D-принтер, способный печатать объекты с заранее запрограммированным поведением во времени. Ключевым решением в разработке стало использование полимеров с эффектом памяти формы. Учёные из Джорджии подобрали семь различных полимерных материалов, способных восстанавливать свою форму при нагревании. В «расслабленном» состоянии они стремились к сворачиванию. Из-за разницы в их внутреннем строении, скорость, с которой полимеры восстанавливали свою форму при данной температуре, различалась. Например, самый быстрый материал при 80 °C сворачивался за 11 секунд, а самый медленный – примерно за 18. С помощью принтера печатался трёхмерный объект – развёртка будущей фигуры. Она состояла из твёрдых фрагментов и «суставов», которые были сделаны из одного из семи материалов с памятью формы. Эти стыки находились в «напряжённом» состоянии. Затем объект помещали в горячую воду, где «суставы» начинали сгибаться. Благодаря знанию о том, с какой скоростью будет сворачиваться каждый из «суставов» конструкции, учёные заранее определяли все траектории движения отдельных частей объекта и точно знали, какую форму он примет в конце. Так, удалось создать ленту, сворачивающуюся при нагревании в «квадратную» спираль, а также конструкцию, которая сцепляется сама с собой в процессе сворачивания. Кроме того, была разработана модель самостоятельно складывающейся коробки, содержащей внутри себя прорези и вставляемые в них выступы. Сворачивание происходило без внутренних столкновений между частями развёртки. Техника получила название четырёхмерной печати, поскольку в трёхмерную конструкцию словно бы закладываются инструкции о поведении в четвёртом измерении – времени. Аналогичные проекты существовали и ранее, но они предполагали нагрев «суставов» до разных температур для достижения различных скоростей их сгибания.

Изменение формы объекта 3D-печати не обязательно должно происходить под действием тепла – его форма может меняться благодаря контакту с водой, светом или какими-либо другими внешними факторами.

Так, исследователи из лаборатории Self-Assembly Lab Массачусетского технологического института разработали 2D-шаблон, который при погружении в воду складывается в куб. Лаборатория создала много разнообразных изделий, способных самостоятельно принимать нужную форму или самособираться. Они показали шнурки, которые сами себя зашнуруют, и предметы мебели, которые самостоятельно раскладываются.

А команда учёных Гарвардского университета обратила внимание на растения, которые реагируют и изменяют свою форму в ответ на стимулы окружающей среды. По результатам наблюдений и исследований этого процесса были разработаны гидрогелевые композитные структуры, меняющие форму при погружении в воду. Объект в форме цветка орхидеи напечатали гидрогелевыми композитными чернилами, содержащими определённо направленные волокна целлюлозы. Чтобы придать древесным волокнам нужное направление, их смешали с акриламидным гидрогелем. При погружении в воду получившееся вещество изменяет свои геометрические размеры заранее определённым образом. Композитные чернила позволяют получать изделия разной формы. Более того, можно менять состав материала для получения определённых свойств, например, электропроводности или биосовместимости.

Исследователи из Университета Колорадо разработали методику 4D-печати, включив полимерные волокна с «эффектом памяти формы» в композитные материалы, используемые в традиционной 3D-печати. В качестве примеров применения технологии назывались солнечные батареи, способные сворачиваться и разворачиваться для транспортировки, автомобильные покрытия, адаптирующиеся к среде, а также военная форма, меняющая тип камуфляжа или эффективнее защищающая от газа или осколков.

Объединённая группа учёных из Сингапурского университета технологии и дизайна, MIT и Технологического института Джорджии разработала новый метод 4D-печати на основе воздействия светом на фоточувствительные материалы. Новая методика печати способна создавать элементы толщиной в человеческий волос. В принтер заливали раствор фоточувствительного полимера и проецировали слой за слоем требуемый объект, обрабатывая материал ультрафиолетом. Для проверки, что полимер способен восстанавливаться после деформаций, исследователи напечатали мягкий манипулятор, который в свободном состоянии закрыт. С его помощью учёные смогли успешно захватывать небольшие предметы. Такую технологию можно адаптировать для реального применения, к примеру, создать капсулы, высвобождающие вещества при повышении температуры тела.

Инженеры НАСА с помощью 4D-печати создали металлическую ткань для защиты спутников от повреждений и радиации, а также для производства гибких антенн. Ткань представляет собой своеобразную «кольчугу», созданную из кусочков серебра и других металлов. Материал можно многократно сгибать, разгибать, растягивать и сжимать. Каждая сторона ткани обладает собственными свойствами, отражает или поглощает свет и тепло. Несмотря на гибкость, ткань крайне трудно разорвать. Планируется, что в защитный материал будут упаковывать спутники перед их выводом в космос, либо с его помощью станут экранировать скафандры и обитаемые модули.

Международный институт нанотехнологий Северо-Западного университета получил грант от Министерства обороны США для разработки 4D-принтера. Четырёхмерный принтер будет использоваться для исследований в области химии, материаловедения и в областях, связанных с обороной. Предполагается, что 4D-печать позволит создавать новые химические и биологические датчики, конструкции и материалы для микрочипов. Прогресс сдерживает отсутствие недорогого оборудования, способного выполнять печать со сверхвысоким разрешением (примерно в 1000 раз меньше толщины человеческого волоса) из твёрдых материалов (металлов и полупроводников) и мягких материалов (органических тканей). Четырёхмерный принтер станет основой нового поколения инструментов для разработки архитектур, в которых материалы, формирующие функциональные компоненты электроники, могут быть объединены с биологическими объектами.

1.1.4 Промышленная 3D-печать

Биопринтеры и 4D-печать – это все-таки будущее, хоть и стоящее на пороге, но ещё не вошедшее в нашу жизнь повседневными изделиями и продуктами. А промышленная 3D-печать – это уже вот оно, готово к употреблению.

В инженерном производстве уже давно и широко используются современные цифровые технологии, такие как CAD 3D-моделирование, 3D-сканирование и трёхмерная печать. Новый тренд этих технологий – применение вместе с элементами автоматизации как частью промышленных роботов и автоматических станков. Например, 3D-сканирование широко применяется в контроле качества, а 3D-печать, вместе с автоматизированными фрезерными и токарными станками, в производственных цехах. Уже существуют промышленные 3D-принтеры, способные создавать трёхмерные формы весьма внушительных размеров. Недалёк тот день, когда созданный инженерами проект, представленный в цифровом виде, будет полностью воплощаться в жизнь промышленными роботами без прямого дальнейшего участия человека.

1.1.5 3D-печать и автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности в первую очередь – это создание CAD 3D-моделей и прототипирование. Сейчас этот симбиоз вышел на новый уровень – из конструкторских бюро попал в производство. Глобальная роботизация начинается как раз с автомобилестроения, и армия роботов (пока не без помощи людей) уже осуществляет сборку автомобилей на заводах. Уже есть примеры создания рам и кузовов, которые полностью напечатаны на 3D-принтере. Это относится и к тюнингу – молдинги, спойлеры, декоративные элементы, колёсные колпаки. Что уж говорить об отдельных небольших элементах – функциональных деталях и деталях оформления, многие из которых не составит труда распечатать и на небольшом бытовом принтере. 3D-сканирование применяется и в ремонте, оно позволяет с высокой точностью диагностировать отклонения в геометрии кузова и легко создавать модели для последующей печати элементов на замену. С развитием технологий объёмной печати, позволяющих печатать сложные функциональные детали из многих различных материалов, могут появиться и полностью 3D-печатные автомобили, каждая деталь которых будет создана 3D-принтером.

Так, немецкая автомобилестроительная компания Street Scooter полностью закончила работу по созданию прототипа малогабаритного электрического автомобиля C16. И самым интересным в этом является то, что практически весь кузов автомобиля и большая часть других его узлов и деталей были изготовлены при помощи промышленного трёхмерного принтера Stratasys Objet 1000 3D Production System, способного печатать несколькими различными материалами. Среди деталей автомобиля C16, изготовленных на трёхмерном принтере, можно выделить такие габаритные детали, как передняя и задняя части кузова, двери, бампера, юбки кузова и колёсные арки. Кроме этого, практически весь салон и множество небольших деталей ходовой, трансмиссии также были изготовлены на принтере. Конечно, пока большое количество деталей и узлов автомобиля C16 было изготовлено более традиционными способами или взято в готовом виде. Однако, использование технологий трёхмерной печати позволило существенно сократить цикл производства от разработки до изготовления опытного образца, на что ушло всего 12 месяцев. И, следует отметить, что опытный образец электромобиля C16 вполне удался, он уже показал на полигоне, что выдерживает даже самые жёсткие испытания не хуже транспортных средств, изготовленных из традиционных деталей обычными методами. Трёхмерный принтер Objet 1000 является одним из самых больших промышленных трёхмерных принтеров, способных печатать объекты сразу несколькими различными материалами, с его помощью помощью компания KOR EcoLogic уже изготавливала элементы кузовов и другие детали для автомобиля Urbee.

А израильское подразделение компании Autodesk Inc. в сотрудничестве с израильским стартапом Massivit напечатали на 3D-принтере детали первого в мире 3D-автомобиля Strati, созданного и разработанного компанией Local Motors. Плоды сотрудничества представили на конференции для инноваторов в области автомобилестроения Eco Motion в Центре мира имени Шимона Переса в Тель-Авиве. Autodesk разработала полноценную, открытую и бесплатную платформу для 3D-печати Spark, которая передаёт цифровую информацию на 3D-принтеры. Компания предоставила Massivit программное обеспечение для распечатки 3D-модели Strati. Руководство Autodesk считает, что революция в 3D-печати преобразит отрасль автомобилестроения, резко уменьшив объем отходов и стоимость сборки. Руководитель подразделения 3D-печати в Autodesk Эйтан Царфати заявил, что платформа Spark предоставит «строительные блоки» для инноваций, которые могут быть использованы дизайнерами, производителями и разработчиками программного обеспечения, чтобы раздвинуть границы технологии 3D-печати.

Дальше – больше. Американская компания Divergent Microfactories представила Blade – первый суперкар с шасси, полностью напечатанном на 3D-принтере. Автомобиль весит 629 кг и разгоняется до 100 км за 2,5 секунды. Blade оснащён двигателем мощностью в 700 лошадиных сил, а в качестве топлива использует бензин или сжатый газ. «Divergent Microfactories создала первый в мире функциональный суперкар, который печатается на 3D-принтере, – рассказывает председатель совета директоров компании Кевин Зингер. – Автомобиль, который мы сейчас видим, наносит на две трети меньше вреда окружающей среде, чем, скажем, электромобиль, с аккумулятором ёмкостью в 85 киловатт-час», – уверяет глава компании. Вред окружающей среде удаётся уменьшить за счёт исключения из процесса производства машины этапа заводской сборки. Основной продукт компании – наборы из отпечатанных на 3D-принтере алюминиевых модулей и карбоновых трубок. Этот «конструктор» позволяет силой команды из трёх человек вне цеха собирать функциональные автошасси разных типов. В шасси Blade, например, используется 27,6 кг алюминия и 18,6 кг карбона. На его ручную сборку уходит полчаса.

Не отстаёт в деле внедрения 3D-печати в производство и такой гигант автомобилестроения, как компания Ford, а американской компании Local Motors для создания авто потребовалось шесть дней. Свою машину она собирала на глазах у посетителей автосалона в Чикаго. Мало того, практически все детали авто были сделаны прямо на стенде. Дело в том, что Ford пользуется традиционными технологиями создания авто, а спецы Local Motors печатают кузова и комплектующие на 3D-принтере. И тут 3D-печать – далеко уже не фантастика. Тот же Ford, к примеру, широко использует эту технологию для «распечатки» прототипов новых моделей и выпуска прозрачных автокомпонентов, используемых для проведения более точных и наглядных испытаний. Переход автопрома от литья к печати позволит производителям в разы повысить рентабельность и гибкость производства.

«Вместо того, чтобы иметь один сборочный цех, скажем, в Детройте или Токио, мы располагаем микропроизводства во многих странах, – поясняет ведущий инженер Loсal Motors Джеймс Ерл, – благодаря чему покупатель может активно следить за тем, как печатают заказанный автомобиль и живо участвовать в его создании». Тем более, что это не потребует гигантских инвестиций: детали, созданные с помощью 3D-принтера (кузов), обойдутся максимум в 5 тысяч USD. При том, что стоимость модели Strati составит от 18 до 30 тысяч долларов в зависимости от количества опций и комплектации

Первый 3D-принтер в компании Ford заработал много лет назад. Именно с помощью подобного устройства в 2010 году инженерам удалось выявить и быстро устранить неисправность в тормозной системе тогда лишь готовившегося к запуску Ford Explorer. Если бы дефект выявляли традиционными способами, машина вышла бы на рынки на четыре месяца позже. Кроме того, 3D-принтер помог специалистам Ford в минимальные сроки увеличить эффективность моторов линейки Eco Boost (включая новый мотор объёмом в 2,7 литра, предназначенный для F-150). Помимо прочего 3D-печать используется и при создании прототипов, снизив себестоимость производства с 20 до 2 тысяч долларов на деталь. Эксперты полагают, что технология получит широкое распространение не только в области дизайна или в опытных лабораториях, но и в производстве сложных по конфигурации деталей. Кроме того, их будут применять для производства небольших партий запчастей для старых и раритетных авто.

1.1.6 3D-печать и авиастроение

Другим потенциальным потребителем 3D-печати является авиастроение. Британская оборонная кампания «BAE System» провела лётные испытания истребителя Tornado GR.4 ВВС Великобритании с несколькими «распечатанными» металлическими деталям. Боевой самолёт совершил полёт с авиабазы в Уортоне графства Ланкашир в декабре 2013 года. Испытания были признаны успешными. Полный список «распечатанных» деталей, установленных на истребителе, не уточняется. Проектирование и трёхмерная «печать» запчастей для истребителей ведутся BAE Systems по контракту с министерством обороны Великобритании. Какая именно технология используется, не уточняется. Предположительно, речь может идти о технологии прямого металлического лазерного спекания (Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Как ожидается, применение на истребителях типа Tornado «распечатанных» деталей позволит ВВС Великобритании сэкономить 1,2 миллиона фунтов стерлингов за четыре года. Проектирование и «печать» металлических запчастей осуществляются компанией BAE Systems на авиабазе «Марэм» в Норфолке. В частности, речь идёт о защитных кожухах радиостанций в кабине пилота и вала отбора мощности. Стоимость некоторых «печатаемых» деталей составляет менее ста фунтов стерлингов. «Печатаемыми» запчастями планируется оснастить четыре эскадрильи истребителей Tornado GR.4.

Следует отметить, что технология металлической «печати» в оборонной промышленности в последнее время становится все более популярной. При DMLS-печати металлический порошок, насыпанный в ёмкость, при помощи лазера расплавляется в однородную структуру. «Печать» осуществляется послойно, причём толщина каждого слоя составляет около 20 микрон. Изготовленные таким способом детали не требуют дополнительной механической обработки.

1.1.7 3D-печать в строительстве

Не менее крупным пользователем 3D-печати является строительная отрасль. Так, итальянская компания WASP продемонстрировала свой 3D-принтер, способный производить дешёвое жильё из глины. Саманные дома – уже давно не инновация, но они достаточно привлекательны из-за их экологичности и устойчивости. Представители WASP считают, что строительство таких домов стоит осуществлять в развивающихся регионах мира, где традиционные формы строительства неосуществимы. На создание структур дизайнеров вдохновили насекомые – грязевые осы, создающие свои гнёзда с использованием грязи. Собственно, wasp переводится с английского языка как «оса». Глина в новом принтере выдавливается подобно глазури и затем застывает. Высота устройства составляет около 6 метров, при том оно способно производить печатные структуры до 3 метров в высоту, примерно как принтер, используемый китайской компанией, с помощью которого в начале 2014 года удалось построить 10 домов менее чем за 24 часа. По словам представителей компании WASP, корпус дома может быть построен с использованием материалов, полученных в месте строительства по нулевой стоимости (для возведения домов может использоваться не только грязевая глина, но и другие натуральные материалы). Демонстрация изобретения состоялась в октябре 2014 года на римской выставке Maker Faire. Неполная модель (размером в 4 метра) способна производить небольшие модели саманных домов и служит доказательством работоспособности концепции.

«Мы будем работать со смесью глины и песка, – сказал генеральный директор компании Массимо Моретти перед презентацией принтера. – Для производства полноценного дома понадобятся недели, а так как на выставке в Риме у нас будет всего два дня, придётся привезти уменьшенную копию и делать меньшие по размеру здания. Но сама технология и материалы уже прошли испытания – и они работают».

Представители компании также уверены, что данная технология найдёт своё применение и в медицине. Они изучают 3D-печать при помощи керамики (гидроксил апатита), биостекла (bio glass) и оксида алюминия для создания костных имплантатов с такой же пористой структурой, что и настоящая кость.

Аналогичный революционный метод строительства (Stone Spray Project) был создан Петром Новиковым, Индер Шергилл и Анной Кулик в Институте Перспективной Архитектуры (Каталония, Испания). Робот смешивает почву и песок с фиксирующим компонентом, а затем с помощью форсунок печатает объект (колонны, дуговые несущие конструкции). Роботу для работы требуется совсем немного энергии. Он может использовать исключительно солнечную энергию, без внешних источников питания.

А компания из Шанхая нашла способ производить жилые дома из промышленных отходов с завидной производительностью – до десяти компактных жилых домов в день. Китайская архитектурная компания Winsun уже наладила «печать» небольших жилых зданий, используя в качестве материала переработанные строительные отходы. Для производства используется гигантский промышленный принтер, размеры которого составляют 150х10х6 метров. Помимо высокой скорости производства, напечатанные дома отличаются низкой стоимостью – менее 5 тысяч долларов за единицу. Технология уже признана перспективной и способной решить вопросы с быстровозводимым жильём для малообеспеченных слоёв населения. Планируется построить около 100 заводов по переработки строительного мусора в «чернила» для подобных устройств.

Стоит отметить, что китайцы, пожалуй, идут впереди планеты всей по части применения 3D-технологий в возведении жилья. Так в Китае за три часа на 3D-принтере напечатали полноценную двухэтажную виллу. А вечером того же дня ZhuoDa Group, фирма которая вплотную занялась 3D-строительством домов в КНР, построила ещё один дом. «Вилла из 3D-принтера» построена из отдельных модулей, которые изготавливаются на фабрике сразу целиком, включая внутреннюю отделку, проводку, водопровод, сантехнику, мебель и прочее. Фактически, дом готов уже на 90%, когда его модули привозят на строительную площадку.

Фрагменты самого дома печатаются из определённого состава, который держится в тайне. Кроме того, дом отличается высокой теплоизоляцией – в нём не жарко летом и не холодно зимой. Известно, что в этот секретный состав входят материалы, полученные из промышленных и сельскохозяйственных отходов. Именно поэтому в готовых модулях не присутствует вредных веществ. Сообщается, что напечатанный на принтере дом имеет способность выдержать землетрясения с магнитудой 9 баллов, не боится огня и воды. Отмечается, что после завершения печати готовые модули просто собираются бригадой рабочих. Таким образом, конечная стоимость домов из 3D-принтера гораздо ниже, чем домов, построенных с использованием других методов. Для сборки двухэтажной виллы требуется шесть 3D-модулей, на каждый квадратный метр которых приходится примерно 100 кг веса.

Эксперименты по применению 3D-печати в строительстве ведутся во всем мире. Технология применяется как при проектировании, где очень полезны промышленные 3D-сканеры и специальные программы, так и непосредственно в создании объектов. Специальные строительные 3D-принтеры печатают модульные блоки и целые здания из бетона. Строительная 3D-печать позволяет создавать объекты необычных и нестандартных форм, недоступные для обычного серийного строительства, при этом, производство происходит из стандартных смесей с применением армирования. В перспективе мы увидим в работе агрегаты, способные в считанные часы напечатать небольшой коттедж полностью – от фундамента и коммуникаций до флюгера на крыше.

Уходят в историю времена, когда архитекторам, при создании макетов зданий, приходилось пачкать руки клеем и дышать испарениями разрезаемого раскалённой проволокой пенопласта. Всё большее место занимает софт и технические устройства, позволяющие намного удобнее и быстрее, а главное – точнее – создавать макеты будущих объектов. 3D-принтеры способны распечатывать, в зависимости от размеров, части или целые макеты с точностью, о которой раньше никто и не помышлял. Малейшие архитектурные элементы видны на них столь же отчётливо, как на уже построенных зданиях, а стоимость самих макетов становится ниже и скорость изготовления выше. Есть технологии, позволяющие печатать сразу в цвете не только из гипса или бумаги, но и из мультиматериального пластика с градиентами разной степени прозрачности. Всё идёт к тому, что уже скоро, независимо от масштаба макета или модели, невозможно будет на глаз отличить их от настоящего объекта. Не считая явной разницы в размерах, конечно.

Пример такого подхода – фантастическая разработка группы специалистов из Франции, разработавших проект здания для Марса, изготовленного методом 3D-печати. Дизайн сооружения Sfero Bubble House весьма неординарен и заслуживает особого внимания. Оно, конечно, на сей момент – фантастика, но, как знать, как знать... Во-первых, если не ставить перед собой грандиозные цели, то так и будешь с 3D-принтером саманные домики строить. Оно, конечно, прибыльно, но скучно. Во-вторых, при наличии инженерной смекалки этот марсианский проект можно на землю опустить и уже сейчас монетизировать.

Название «Sfero» является комбинацией слогов, взятых из слов «Sphere», «Iron» и «Water». Строительство этого сооружения начинается с бурения достаточно глубокого отверстия, внутрь которого запускается один из двух роботизированных манипуляторов. Первый манипулятор действует как своего рода пылесос, подавая наверх материал и одновременно сооружая котлован для будущего здания. А второй манипулятор, используя смесь материала со связующими веществами, строит купол, накрывающий котлован. Большая часть помещений Sfero Bubble House находится ниже уровня поверхности грунта. Наверху только один этаж этого сооружения, где может быть расположена зелёная зона и некоторые из рабочих помещений. Все этажи сооружения соединены винтовой лестницей, по которой марсианские колонисты будут спускаться в спальные помещения, в зону отдыха и попадать на склады, где хранятся различные припасы и оборудование. Наружные стены, образующие купол над сооружением, будут состоять из двух слоёв, между которыми будет присутствовать слой воды, полученной из растопленного марсианского льда, запасов которого в районах полюсов Красной Планеты более чем предостаточно. Эта вода будет защищать внутренние помещения от радиации снаружи и одновременно выступать в роли теплового стабилизатора, позволяющего сгладить резкие температурные колебания. Согласно мнению членов группы Fabulous, идеальным местом для возведения сооружений типа Sfero Bubble House является район кратера Гейла, там, где работал марсоход Curiosity. Марсианский грунт в этом районе богат соединениями железа, что достаточно легко позволит превратить его в строительный материал, обладающий высокой прочностью и высоким уровнем защиты от радиации.