Вся история человечества так или иначе связана с производством - пищевых продуктов, одежды, орудий труда и множества других необходимых людям вещей.
За много тысячелетий технологии производства неоднократно менялись, проходя целую череду промышленных революций - коренных изменений принципов производства.
- Первые люди научились обрабатывать камень, дерево и кость, а их потомки освоили гораздо более гибкие возможности гончарного и литейного ремесла, научившись создавать почти произвольные формы изделий.
- Развитие торговли привело к началу «серийного» выпуска изделий, к созданию ремесленных цехов, специализирующихся на том или ином виде продукции.
- Великая индустриальная революция XVIII -XIX веков позволила перейти от ручного труда к машинному и от мануфактур к фабрикам.
- Уже в XX веке совершились две не менее великие индустриальные революции - электрификация производства и его автоматизация.
Благодаря использованию вычислительной техники современные роботизированные производственные комплексы позволяют выпускать продукцию практически без участия человека.
Такая автоматизация сегодня затрагивает все сферы производства - начиная от разработки и конструирования частей будущего изделия и до его изготовления и упаковки. Работа современного проектировщика, инженера-конструктора, технолога и целого ряда других специалистов немыслима без применения систем автоматизированного проектирования - пакетов САПР, позволяющих на экране ПК воссоздавать трехмерные модели будущих деталей, выполнять их виртуальную сборку в готовое изделие, проводить его виртуальные испытания (прочностные, аэродинамические и пр.), формировать всю необходимую производственную документацию и программы для станков с числовым программным управлением.
Однако до недавнего времени на стыке между автоматизированным проектированием и автоматизированным производством оставалось одно слабое звено - разработанные компьютерные модели деталей и сборок перед их передачей в серийное производство необходимо сначала изготовить и испытать «в металле и пластике». Переналадка производственных линий на новую продукцию - дело достаточно сложное и хлопотное, затратное как по времени, так и по финансам, и для изготовления единичных экземпляров или даже мелких партий изделий - нерентабельное. Вот и приходилось при конструкторских бюро содержать экспериментальные производственные цеха, в которых многое делалось по старинке, вручную, по подготовленным чертежам. А если в процессе испытаний изготовленного экспериментального образца выявлялись какие-либо недостатки и требовалось вносить изменения в конструкцию, то новый экспериментальный образец приходилось изготавливать «с нуля».
Впрочем, времена экспериментальных производств сегодня уходят в прошлое. Современные 3D-технологии дали наконец инженеру-конструктору реальный инструмент для материального воплощения его идей и разработок буквально не отходя от рабочего места.
- Современные пакеты САПР позволяют получить в памяти компьютера полную и точную трехмерную модель каждой детали, а затем объединить все требуемые детали в единую сборку, проконтролировать их совмещение и точность размеров, проверить их механическое взаимодействие, а при необходимости - смоделировать и работу электронных схем.
- 3D-принтер дает возможность реализовать полученную виртуальную модель детали или даже всего изделия в материале (пластмассе, металле и т.д.) прямо на рабочем столе конструктора, не прибегая к помощи производственников, не используя различные станки и инструменты. 3D-принтер позволяет получать форму внешней поверхности и/или полостей, которую крайне сложно (а зачастую и невозможно) получить традиционными методами, а во многих случаях дает возможность напечатать даже сразу целиком функционирующую сборку.
- При необходимости с помощью 3D-сканера можно, наоборот, оцифровать имеющуюся реальную деталь, преобразуя ее в виртуальную трехмерную модель, а затем использовать эту модель в компьютерном конструировании.
Упомянутые три составляющие современных 3D-технологий (3D-конструирование, 3D-печать и 3D-сканирование) сегодня становятся теми тремя китами, на которых держится современное промышленное производство. Однако эти три кита вполне могут и изменить саму парадигму промышленности, вновь возвращая ее к индивидуальному, «семейному» самообслуживанию. Уже сейчас, приобретя сравнительно недорогой домашний 3D-принтер, вы можете отказаться от услуг массовой промышленности и сами (конечно, обладая соответствующими знаниями в компьютерном проектировании) развернуть для себя свой собственный «завод» по изготовлению необходимых в быту мелочей или мелких комплектующих для ремонта бытовой техники, вместо того чтобы идти в магазин или сервисный центр. Во многих случаях готовые компьютерные модели можно просто скачать в Интернете - так же, как мы уже привыкли скачивать требуемые тексты или картинки. Зачастую и сами изготовители бытовой техники выкладывают на своих фирменных сайтах модели отдельных комплектующих для ее ремонта, а в самом ближайшем будущем, возможно, это станет общепринятой практикой.
И это - пока только первые робкие шаги 3D-технологий.
3D-принтеры способны произвести революционные изменения в строительстве - готовые стены, перекрытия и декоративные элементы нового дома почти любой желаемой формы и планировки можно напечатать цементной смесью прямо на месте строительства буквально за сутки, и дальше остается лишь провести отделку и меблировку. Вполне возможно и создание автоматически работающих 3D-принтеров, использующих энергию Солнца для плавления грунта (песка) и печати зданий и сооружений в самом сердце пустынь или на поверхности других планет (и такие проекты для Луны и Марса уже находятся в разработке).
3D-принтеры позволят печатать готовые органы для трансплантации из размноженных в пробирке клеток самого пациента, и это позволит решить извечную проблему отторжения пересаженных тканей.
3D-печать способна коренным образом изменить пищевую промышленность. Уже сегодня в продаже есть 3D-принтеры (хотя и не дешевые), печатающие шоколадом, а на подходе - возможность воссоздания из исходного белкового сырья пищевых полуфабрикатов, практически неотличимых от традиционных ни по вкусу, ни по структуре, - например, эксперты так и не смогли различить обычную отбивную и «искусственную», в которой при помощи 3D-принтера была сформирована вся требуемая структура мышечных волокон.
3D-принтеры уже изменяют ювелирную промышленность, позволяя буквально за несколько часов получить украшения по желанию клиента, в том числе индивидуализированные (скажем, с его инициалами). А возможность сканирования людей и печати их 3D-портретов в виде бюстов и статуэток позволяет перейти на новый рубеж искусству фотографии.
А в будущем (кто знает - может быть, и не столь отдаленном) домашние устройства 3D-печати, возможно, и вовсе будут снабжать каждого из нас всем необходимым - из некоего «универсального» сырья и по скачиваемым через компьютерные сети «виртуальным трехмерным шаблонам», с возможностью возвращать более ненужное вновь в состояние исходного сырья и использовать его повторно. Такая возможность безотходного домашнего производства не только станет решением многих экологических проблем, но и позволит создавать замкнутые экосистемы на борту межпланетных космических кораблей.
А чтобы эти мечты становились реальностью, требуется уже сегодня готовить специалистов - как по использованию существующего 3D-оборудования, так и по созданию новых его моделей. Этими специалистами станут сегодняшние школьники, которых уже сейчас необходимо знакомить хотя бы с основами современного 3D-производства. Автор надеется, что, может быть, и данная брошюра станет одним из кирпичиков, заложенных в фундамент будущего обновленного школьного курса технологии, в котором изучение 3D-конструирования, 3D-печати и 3D-сканирования станет одной из важнейших составляющих, такой же неотъемлемой частью информационной компетенции, как сейчас - умения набирать и редактировать на компьютере текст или выполнять простейшие операции с компьютерной графикой.