Идея создания физического объекта из цифрового файла кажется захватывающей. Она вызывает в памяти репликаторы из «Звёздного пути», способные сделать всё, от одежды до запчастей для космического корабля и еды. Сегодняшняя 3D-печать совершает впечатляющие шаги в этом направлении, что вызывает большой интерес у многих производителей. К примеру, стало возможным распечатывать компоненты сложных электронных устройств на относительно простом оборудовании – как только что продемонстрировала моя исследовательская команда, создав, как мы считаем, первый микрофон, распечатанный на 3D-принтере.

Для 3D-печати доступно уже довольно много разных материалов, в том числе, похожих на дерево и серебро. Однако большинство машин ограничено работой с синтетическими материалами – пластик, резиновые полимеры и нейлон. Обычно машины печатают только одним материалом в один момент времени, или переключаются по палитре из двух-трёх материалов. Но это всё равно оставляет большой потенциал, особенно для придания материалам разных свойств. Этого можно добиться, примешивая наночастицы другого материала, имеющего нужные вам свойства.


Если вы, к примеру, хотите, чтобы ваш материал проводил ток, вы можете добавить в него серебряные, золотые или углеродные нанотрубки. Это делает возможной печать электронных схем. Если вам нужно пьезоэлектричество – генерация электричества при сжатии – вы можете добавить в материал титанат бария. Получившийся предмет можно превратить в датчик звука или тепла, или в силовой привод, устройство, заставляющее двигаться другие компоненты.

Переключаясь между схемами, датчиками и приводами во время одной печати, можно создать работающий электронный компонент целиком. В последние годы люди использовали такую технику для изготовления таких вещей, как, например, оптические компоненты для линз или панелей, или акселерометров – устройств, измеряющих движение разных объектов, от бегущего человека до землетрясений. Она же позволила нам создать наш микрофон, перевести его из цифрового файла в реальность всего за шесть часов.

Подайте ваш пластик

В идеале мы бы хотели использовать один из популярных 3D-принтеров от MakerBot, стоимость которых начинается от ?1000, однако они не любят добавления крохотных частичек в материал. Они работают, выдавливая пластиковую нить, которая затем остывает и застывает, и наночастицы засоряют эту систему – особенно, если добавить их достаточно много, чтобы усилить свойства материала.

Вместо него мы использовали Asiga Pico 27 plus по цене в ?6000. Он использует "цифровую обработку светом", и отверждает пластик, освещая его ультрафиолетом. Свет выстраивается при помощи 4000 микрозеркал, похожих на те, что используются в домашних проекторах. Для изготовления модели принтер проецирует набор двумерных изображений на жидкий пластик, и немного сдвигает модель вверх каждый раз после отверждения слоя. Наночастицы меняют длительность освещения, необходимую для отверждения, и немного поглощают и рассеивают падающий свет, но учтя этот момент, печать можно вести довольно успешно.


Один из недостатков этой технологии состоит в том, что она плохо относится к изменению типов материала. Поскольку исходным материалом служит жидкий пластик, его необходимо держать в ёмкости: модель погружается в жидкость при печати каждого следующего слоя. Для смены материала приходится всё останавливать и менять ёмкости вручную, перед началом печати очередного слоя.

Это можно обойти, оставляя в модели на месте другого материала отверстие. Затем можно сменить материалы и печатать внутри этого отверстия, в результате получая трёхмерный объект с взаимосвязанными внутренними свойствами.

Что будет дальше

Технические проблемы 3D-распечатки работающего микрофона в основном связаны с управлением процесса, выбором времени засветки ультрафиолетом с точностью до миллисекунды и тщательного комбинирования и смешивания разных материалов. В конечном итоге получается устройство, ведущее себя практически как нормальный микрофон, за исключением плоховатого соотношения сигнал/шум и великоватого сопротивления токопроводящих слоёв. Он, к примеру, не сравнится с кремниевым микрофоном, стоящим в вашем смартфоне.


Наш микрофон

Другие команды, пробовавшие печать при помощи нанокомпозитных материалов, сталкивались с похожими проблемами. При изготовлении упомянутых мною оптических компонентов или акселерометров они обычно пытались либо встраивать предварительно изготовленные микрочипы и датчики в печатаемые объекты, либо подправлять пластик после печати. Мы пока не дошли до того уровня, когда можно будет, к примеру, распечатать смартфон приличного качества с нуля: Samsung и Apple пока могут расслабиться.



Однако и сегодняшние наши способности всё равно открывают нам удивительные возможности – в частности потому, что хорошие приводы проще распечатать, чем хорошие датчики. Добро пожаловать в нарождающуюся область мягкой робототехники, где существует потенциал для печати рук, осуществляющих захват так же мягко и точно, как человеческие; или нанороботов, распаковывающихся, как оригами, при достижении нужного органа в человеческом теле; или даже целых роботов, как рыба по ссылке, способных имитировать сложные движения животных.

Прототипы подобных устройств уже существуют, хотя в них и комбинируются распечатанные и обычные компоненты. Лет через 10 их, скорее всего, можно будет печатать целиком. Так что, прямо как персонажи «Звёздного пути» из 24 века, мы тоже скоро сможем выбрать файлик с каким-нибудь интересным устройством и напечатать его на заказ. Что вы говорите — мягкое роботизированное щупальце? Ну, пока для таких вещей ещё нет мобильных приложений, но это лишь вопрос времени.