Облик грядущего

Как показывают примеры, приведенные в этой части книги, прогресс уже позволяет нам строить машины, выходящие за пределы вселенной битов и взаимодействующие с людьми и вещами в мире атомов. Благодаря тому же прогрессу мы совершили еще один шаг: теперь мы способны упорядочивать атомы, то есть создавать вещи ранее невозможными способами. Это хорошо видно на примере, пожалуй, самых распространенных рукотворных предметов – пластиковых деталей.

Мировое производство пластмасс в 2015 году составляло 250 миллионов тонн[265], и в каждом современном автомобиле имеется больше двух тысяч пластиковых деталей разных форм и размеров. Чтобы производить большую их часть, сначала требуется изготовить матрицу, или форму, – металлическую конструкцию, в которую горячий пластик впрыскивается, впрессовывается или вводится иным способом. Контуры и полости этой матрицы определяют итоговую форму детали.

Необходимость в ней имеет три важных следствия. Во-первых, крайне важно сделать ее правильно, поскольку она послужит шаблоном для тысяч или миллионов деталей. Матрицы должны быть прочными, долговечными и очень точно изготовленными, и такое сочетание делает их дорогими. Во-вторых, необходимость в матрице накладывает ограничения на вид деталей. Например, в одной форме легко изготовить простую пластиковую шестерню, однако невозможно получить набор сцепленных шестерен, готовых к вращению. Более сложные детали в целом требуют более продвинутых матриц. Некоторые из них невероятно сложные, так как они должны обеспечить попадание всего пластика в форму и полное и равномерное заполнение пространства. В-третьих, крайне важна термодинамика матрицы – способ, которым она нагревается и охлаждается при работе с каждой деталью. Ясно, что лучше не вынимать детали, когда они еще горячие и могут деформироваться, но такая же плохая идея – дать форме охладиться больше необходимого. К тому же разные ее части охлаждаются с различной скоростью. Поэтому проектировщики и инженеры должны учитывать целый ряд факторов, чтобы обеспечить и высокое качество деталей, и высокую производительность матриц.

Примерно тридцать лет назад одна группа технологов задалась вопросом: а зачем вообще иметь форму?[266] Их вдохновляли лазерные принтеры, которые используют в работе лазер, плавящий очень тонкий слой чернил на листе бумаги по желаемому шаблону текста или изображения.

Но зачем останавливаться на одном слое? Почему бы не повторять процесс снова и снова, создавая не двумерное изображение, а трехмерную конструкцию? Это требует времени, поскольку каждый слой очень тонок, тем не менее изготовление вещей таким способом открывает массу перспектив. Начнем с того, что сложность конструкции может быть произвольной, как отмечает специалист по трехмерной печати Луана Йорио[267]. Другими словами, сделать деталь высокой сложности не дороже, чем самую простую, поскольку обе представляют собой стопки очень тонких слоев. Например, узел из сцепленных шестерен создается так же легко, как и любой отдельный трехмерный компонент.

Новаторы использовали методы трехмерной печати и для изготовления металлических деталей, которые получаются из расплавленных лазером тонких слоев порошкового металла, осаждающихся один за другим на лежащую ниже конструкцию, состоящую из предыдущих слоев. Этот процесс обеспечивает еще одно весьма важное свойство: твердость становится произвольной. Обрабатывать очень твердые металлы вроде титана трудно и дорого, однако наплавлять их слой за слоем не сложнее, чем более мягкие типа алюминия. Требуется всего лишь отрегулировать мощность лазера.

Когда и сложность, и твердость становятся контролируемыми факторами, устраняются некоторые давние ограничения. Например, теперь несложно изготавливать формы для пластиковых деталей, которые можно охлаждать гораздо быстрее. Компания DTM Solutions из Остина добилась этого, создав с помощью трехмерной печати в формах из металлического сплава множество маленьких тонких каналов, проходящих сложным образом. Традиционными методами подобное сделать нельзя. Горячий пластик не течет сквозь эти тонкие каналы, а охлаждающие жидкости текут, потому происходит быстрое охлаждение после формовки каждой новой детали. В результате они изготавливаются на 20-35 процентов быстрее[268] и имеют лучшее качество[269].

В этом месте скептик может спросить, не поем ли мы хвалу инновациям, которые наводнят мир дешевыми пластиковыми деталями, забивающими свалки и засоряющими океаны. Мы смотрим на вещи иначе, хотя и согласны с тем, что избыточное потребление и недостаточная утилизация пластмасс – это плохо, все же преимущества 3D-печати крайне полезны.

Рассмотрим пример с трехмерной моделью опухоли[270]. До появления 3D-печати у хирургов просто не было реального способа составить точное представление о разрастании злокачественной ткани, к чему они давно стремились. Они не могли потратить деньги и время на создание традиционной формы: это экономически оправдано только в случае, когда вы собираетесь изготавливать много копий детали.

А если вам нужно сделать только одну модель или образец? Или деталь сломалась, и вам срочно требуется запасная? Или вы нуждаетесь в небольшом наборе деталей, каждая из которых совсем немного отличается от остальных? В этих случаях традиционные методы изготовления большей частью бесполезны. В то же время трехмерная печать для них подходит идеально. Самым важным преимуществом трехмерной печати является, видимо, то, что она удешевляет эксперименты и индивидуализацию. На путь от идеи или потребности до готовой полезной вещи больше не нужны длительные дорогостоящие этапы вроде изготовления формы и прочих традиционных технологий производства.

Карл Басс, бывший CEO компании Autodesk, занимающейся программным обеспечением для конструкторов и инженеров, считает трехмерную печать лишь частью картины. Он говорил нам: «Я думаю, что технология послойной печати – это подмножество по-настоящему трансформируемых производств, которые состоят в использовании недорогих микропроцессоров для точного контроля машинного оборудования»[271]. Суть мысли Басса заключается в том, что сенсоры и код используются сейчас не только для точного размещения очень тонких слоев материала друг поверх друга; они также применяются практически в любой промышленной технологии – от разрезания листов стекла и керамической плитки до сгибания и прокатки всех видов металла.

Машины, которые делают эту работу – преобразование атомов в те итоговые формы, что нам нужны, – сейчас совершенствуются благодаря закону Мура. Возможно, они не становятся одновременно лучше и дешевле с такой же скоростью, как процессоры и микросхемы, но их прогресс тоже впечатляет. По сравнению со своими эквивалентами двадцатилетней давности они дешевле, но при этом способны на большее, а качество их работы выше. Такой прогресс делает их доступными для разных новаторов – обладателей хобби, домашних изобретателей, студентов, инженеров и предпринимателей – и дает возможность заняться исследованиями любому желающему. Мы уверены, что инновации, которые удешевляют инструменты высокого качества, приведут к появлению еще больших инноваций в ближайшем будущем.