esmaspäev, 15. oktoober 2012

3D-trükkimine laineharjal

Pilt: Scenic Reflections

3D-trükkimisest on viimasel ajal aina rohkem juttu ja sellest annab tunnistust ka augustis rahvusvahelise konsultatsioonifirma Gartneri poolt avaldatud tänavune esilekerkivate tehnoloogiate haibitsükkel (vt Gartner Hype Cycle 2012), kus see tehnoloogia parajasti laineharjal hulbib. Kui tavaarusaamises võib 3D-printer seostuda kontoriprinteriga, mis nurgas mõne plastlusika või kohvitassi valmis meisterdab, siis tegelikult on ootused kruvitud majandusrevolutsiooni kõrgustesse. Ajakiri The Economist on loos „A third industrial revolution“ nimetanud seda lausa kolmandaks tööstusrevolutsiooniks, Inglismaalt alanud manufaktuuride võidukäigu ja Ameerikast alguse saanud autokonveierite järel.

Muutusi ennustatakse kodumajapidamistest töötleva tööstuseni. Huvi 3D-trükitehnoloogiate vastu kasvab väga erinevates valdkondades: lisaks disainile ja tootmisele tegeletakse rakenduste väljatöötamisega nanotehnoloogiatest kuni suurehitisteni. Alljärgnev mitmetel allikatel tuginev ülevaade kirjeldab 3D-trükkimise tõusu üheks paljulubavamaks tehnoloogiaks ja kääre temaga seotud ootuste ning tegelikkuse vahel.

Pika ninaga sünd
Wired’i ajakirja toimetaja Chris Andersoni sõnastatud „pika sabaga“ innovatsiooni peegeldusena kirjeldas Bill Buxton oma 2008. a Bloomberg Businessweek’is ilmunud artiklis „pika ninaga“ innovatsiooni („The Long Nose of Innovation“) kui aastakümneid enne masskasutusse jõudmist laboreis küpsevaid tehnoloogiaid. 3D trükitehnoloogiad on selle heaks näiteks. Nad idanesid laboreis juba 1970-ndatel ja jõudsid turule 1980-ndatel, kui Charles Hull sai patendi tänaseni levinumale 3D-trükiks kasutatavale tehnoloogiale - stereolitograafiale. See lubas anda arvutis loodud disainile (ingl k computer aided design e CAD) füüsilise kuju fotopolümeere kiht kihi otsa ladudes.

Järgnesid juba teised tehnoloogiad (Fused Deposition Modeling e FDM ja Selective Laser Sintering e SLS) kuni Massachusettsi Tehnoloogiainstituut (Massachusetts Institute of Technology e MIT) sai 1993. a patendi tavalise tindiprinteriga analoogsele „3 Dimensional Printing Techniques“ nimelisele tehnoloogiale. Viimane on ilmselt „süüdi“ selles, et täna üldistame kõnekeeles neid kõiki 3D trükkimise nimetuse alla ehkki paljudel neil pole trükkimisega (st tähtede või mustrite pinnale kandmisega) suurt midagi ühist. Erialakirjanduses leiabki seetõttu pigem rohkem kasutust ingliskeelne termin additive manufacturing (juurdunud eestikeelse termini puudumisel: lisav või kasvatav tootmine) ja selle sünonüümidi. Esiteks viitab see lõpptulemuseni jõudmisel materjalikihtide üksteise peale lisamisele. Teiseks eristab seda traditsioonilisematest meetoditest toote eelnev kolmemõõtmeline modelleerimine arvutis, millest saadakse kiht-kihi haaval füüsiliseks objektiks muutmiseks vajalikud ristlõiked.

Prototüüpidest 3D-piraatluseni
Asjade kloonimise maailmas on senine areng on toimunud peamiselt kiirprototüüpimise ja eriotstarbelise tootmise valdkondades ning harrastajate seas.

Kiirprototüüpimine (ingl k rapid prototyping) oli esimene ja on seni suurim 3D trükkimise rakendusala. Paljudes valdkondades elektroonikast kosmosetööstuseni on üsna disainiprotsessi algusosas (kui pabermakettidest, joonistest ja arvutigraafikast enam ei piisa) vaja kiiresti luua toodete ja teenuste käegakatsutavaid prototüüpe. Siin aitabki kiire mudeldamine disaineritel aega ja raha kokku hoida, mistõttu on 3D-printerid äriliselt just neis ärivaldkondades edukaimaks kasvanud. Seda sugugi mitte ainult väikesemõõduliste toodete puhul, vaid ka suuremate objektide nagu majade ja lennukite loomisel.

Eriotstarbelise tootmisega on tegu, kui tulemus leiab reaalelulist kasutamist, isegi kui tegemist on ainsa eksemplariga (ehkki tavaliselt tähendab see lihtsalt masstootmisest väiksemaid tiraaže). Siingi on küsimus tihtipeale ajas, mistõttu mõnikord kutsutakse seda ka kiirtootmiseks (ingl k rapid manufacturing). Üheks kasutusvaldkonnaks on tõusnud inimest toestavad eksoskeletid, seda nii meditsiinilistel kui ka sõjalistel eesmärkidel. Kuna väliskelett peab kandja külge passima nagu valatult (muidu seda kaua ei kanna), siis tuleb see valmistada kasutaja mõõtude põhjal väga täpse „rätsepatööna“. 2012. a suvel kajastati blogosfääris (FastCoDesign, Wired, Engadget) väiketüdruk Emma Lavelle’i lugu. Emma sündis artrogrüpoosiga (st jäsemete krampkönksumus), mis takistab käte ja jalgade liigutamist. Abi saab jäsemeid toetavatest proteesidest, aga nii väikest mudelit tööstuslikult ei valmistata ja eksoskelett vajab väiketüdruku kiire kasvamise tõttu ka tihti välja vahetamist. Lahendus leitigi 3D-printerist, mille abil valmistataksegi iga natukese aja tagant pisut kasvanud Emmale uued toestused kätele ning jalgadele.

Emma Lavelle oma eksoskeletoni abil mänguhoos (pilt: Inhabitat)
Harrastajate kogukond jääb äritegevuse statistikaradaril kõige silmatorkamatumaks, ent teeb selle kuhjaga tasa oma arvukuse ja entusiasmiga. Olukord meenutab natuke personaalarvuti sünniaega 70-ndatel, kui garaažides hobikorras Altair 8800 arvutitega jändamisest said alguse uued riist-ja tarkvaratööstused kasvatades enda hulgast üles sellised hiigelfirmad nagu Microsoft ja Apple.

3D-printerite hind on küll aastatega märkimisväärselt kukkunud, ent odavamaski otsas kümnetelt tuhandelt pooleteise peale tulles on nad enamuse tavakasutajate ulatusest veel väljas. Seda ongi muutmas suur harrastajate kogukond, kus jagatakse avalikult nii printerite kui nende poolt valmistatavate toodete jooniseid (nt Thingverse). Nende isetehtud printerite puhul jääb hinnatase juba 300-350 dollari (siin ja edaspidi USD) tasemel ja suund on pigem allapoole, kuivõrd neid täiendatakse ja uute mudelitega tullakse pidevalt välja. Näiteks RepRap nimelise printeri viimane „sugupuu“ loetleb juba üle 100 sellest ühisest esivanemast väljakasvanud mudeli. RepRap on ka tuntuim end osaliselt taas-tootev printer. Paljud ta detailid on sama printeri poolt valmistatavad ja kaugem eesmärk on saavutada täielik ise-paljunemine (ingl k self-replication). RepRapi kõrval kolmanda (teine levinud printer on Fab@Home’i nimeline) tuntuima open source (eesti k avatud lähtekoodiga) printeri arendaja MakerBot Industries (mh ka eelmainitud Thingverse veebikeskkonna omanik) avas septembris New Yorgis oma esimese poe. Samas on nad paljude pahameeleks oma printeriga MakerBot taandumas vabavara kogukonnast – põhjuseks veidi iroonilisel kombel kopeerijate tõttu vähenev võime maksta oma arendajaile.

Nii trükitakse öökulli (videoklipp: YouTube)

Need on ilmselt alles esimesed märgid intellektuaalomandi valdkonnas täiesti uute rindejoonte joonistumisest, kus ühelt poolt nimekamad 3D-kavandite loojad hakkavad agaralt kaitsma oma loomingut vaba levitamise vastu ja teisalt iga kolmemõõtmeliselt skännitav asi (nt disainnõud) võib muutuda järeletegemise objektiks – jaanuaris lisas Pirate Bay oma kataloogi uue kategooria „physibles“ e failid, mille abil saab füüsilisi objekte valmistada. Ka on tänavu ebatavaliselt palju kirgi (ühe mängu kohta) üles kütnud Räniorus populaarse lauamängu Settlers of Catan jooniste (sh mängunuppude) netis avaldamine ja selle õiguspärasus, ent Thingverse’i keskkonnas on selliste kaebustega tegelemine juba igapäevaseks muutunud.

Kloonide rünnaku ootuses
Isegi kui ei realiseeru optimistlikes visioonides visandatav pilt tulevikukodust, kus kõik vajaminev  „trükitakse“ oma kodusel 3D-printeril, siis juba on selge, et 3D-trükitehnoloogiate areng toob lisaks ümberkorraldustele tööstuses kaasa suuri muudatusi paljudes teisteski eluvaldkondades. Nii on juba märke sellest, kuidas võivad muutuda nii eripalgelised valdkonnad nagu tervishoid, sõjatööstus või meelelahutus. Kindel on see, et erinevate kasutusvaldkondade koosmõjul kasvab 3D-printimine väga suureks äriks.

Töötlevas tööstuses eristub 3D-trükkimine traditsioonilistest töötlemistehnikatest, kus lõpptulemuse saavutamiseks eemaldatakse materjali viilimise, lõikamise, puurimise jmt abil. Siit tulebki pigem tööstusvaldkonnas 3D-trükkimise kohta kasutatav termin, mis rõhutab materjali lisamist äravõtmise asemel. Ehitustööstuses on mitmed firmad – nt USA Lõuna-Kalifornia ülikoolist välja kasvanud Contour Crafting – sellega juba katsetama hakanud, kuidas treilerisuuruse printeri abil luuakse kandestruktuurid ja muud Lego-sarnaselt juurde monteeritavad majakomponendid (kui 10 minutit aega, tasub vaadata CC asutaja Behrokh Khoshnevis'i esinemist TEDxOjai’l majade 3D-trükkimisest). Suurbritannia firma Monolite UK on sammu kaugemalegi jõudnud, sest nende D-Shape nimelise maailma suurima printeriga saabki juba maju valmistada ja sellest on olemas ka esimesed näidised.

Ka silda võib kohapeal kättesaadavatest materjalist 3D-trükkida (pilt: Stone Spray)

Rakendust nähakse aga ka märksa kõrgtehnoloogilisemates tööstusharudes – Fujifilm teatas juba viie aasta eest materjaliprinteri kasutamisest päikesepaneelide tootmisel ja lennukitootja Airbus loodab tulevikus suurema osa oma lennukitest toota 3D-trükitehnoloogiate abil. Juba praegu on majandusajakirja Forbes teada osad maailma suurima lennuki A380 komponendid 3D-trükitud.

Militaarvaldkonnas on hea näide 3D-trükkimise kasutamisest sõduri mõõte võimalikult täpselt arvestav motoriseeritud eksoskelett. Sõjaväelaste füüsilist võimekust suurendavad hästiistuvad välised turvised ei kuulu enam pelgalt „Alien“-i ulmefilmide valdkonda – töötavad mudelid on olemas nii Lockheedil, Rayethonil ja USA kaitseministeeriumi uurimisinstituudil DARPA-l (guugelda nt Lockheed Martin’i mudelit Human Universal Load Carrier’i e HULC). Samal põhjusel (maksimaalne personaliseeritus) kasutab USA Walter Reedi sõjaväehaigla 3D-trükki patsiendi eripärasid võimalikult hästi arvestavate kehaproteeside valmistamiseks.

Sarnaselt Airbus’iga kasutavad 3D-printereid lennukite varuosade tootmiseks ka USA õhujõud – seda küll vaid vanemate lennukite jaoks, mille haruldasi varuosi on odavam ja kiirem kohapeal vajaduse tekkides ükshaaval valmistada. Ajakirja Fast Company väitel loodab USA sõjaväe eestvedamisel loodud National Additive Manufacturing Institute varuosi trükkivate printerite abil säästa järgneva kümnendi jooksul kuni pool nende tootmiseks seni vajaminevast energiast.

Tervishoid võib esmapilgul tunduda trükikauge maailmana (kui mitte arvestada kõikvõimalikku „paberimäärimist“), ent laboreis on astutud esimesed sammud organite ja kehaosade „trükkimisel". Ehkki toorained on teistest 3D-trükivaldkondadest erinevad – anorgaanilise materjali (nt plastik või metall) asemel rakud ning toit- ja sidusained (nt suhkur) – siis kiht-kihile ehitamise põhimõte on sama. Nii sai Hollandis üks siirdepatsient tänavu veebruaris maailma esimese prinditud lõualuu omanikuks (allikas Wired) ning MIT ja Pennsylvania ülikooli teadlased on katsetanud veresoonte trükkimisega RepRap 3D-printeri abil.

Tähelepanu on tõmmanud ka Singulaarsuse ülikooli inkubaatorist väljakasvanud firma Organovo, kus esmalt kavatsetakse „trükkida“ kantavaid (nt nahk), siis katsetes kasutatavaid (nt farmaatsiatööstusele südamemusklit, kopsukudet ja veresooni) ja lõpuks söödavaid aineid (eelkõige liha) (allikas Fast Company). MIT tehnoloogiablogi Tech Review andmetel loodab Organovo kunagi jõuda siirdatavate organite trükkimiseni, mis oleksid siirdepatsiendi enda rakkude põhjal looduina märksa ohutumad kui teise doonori mitteomaksvõturiskiga organid.

Meelelahutusvaldkonnas on 3D-trükkimine jala ukse vahele saanud nukufilmide tootmisel. Nimelt on neis vaja suurt hulka sama tegelaskuju eriilmelisi nukke. Näiteks filmistuudio Laika hiljutise toodangu „ParaNorman“ peakangelase 30 tuhande 3D-värvitrükitud komponendi abil saavutatud 1,5 miljonit eri näoilmet varjutab enam kui tuhandekordselt vaid veidi enne seda filmitud nukufilmi „Coraline“ kaheksasaja miimikavarjundi ulatuse. Kinomaailmast märksa käegakatsutavamad on mänguasjad, mis koduse 3D-printeri abil võivad hulga kiiremini kannatamatu rüblikuni jõuda. Sellega on algust teinud juba lauamängude firma Ill Gotten Games, mille Pocket Tactics on esimene nende pakutav MakerBoti printeri abil valmistatav mäng või siis Legost inspiratsiooni saanud Cubify mänguasjade sari, mida saab Cube mänguasjaprinteriga ise valmistada.

Vaikus enne tormi?
Uuringufirma Global Industry Analysis raportis „3D Printing: A Global Strategic Business Report“ (3D-trükkimine: globaalne strateegiline äriraport) pakutud hinnangul kasvab 3D-trükkimise turg 2018. aastaks 2,99 miljardi dollarini. Forbes'is viidatud Wohlers Associatesi raport ennustab juba 2016. aastaks kasvu 3,1 miljardi dollarini ja koguni 5,2 mld USD-ni aastaks 2020. Võrreldes teiste tööstusharudega on see siiski veel üsna väike (nt kontoriprinterite turg oli 2010. a üle 55 mlrd dollari), aga teisalt ollakse ka alles võimaliku suure kasvu alguses. Enne kui 3D-trükkimine murrab läbi mitmetes tööstusharudes ja kinnitab kanda lugematutes kodudes, vaibuvad emotsioonid ja paljud ülepaisutatud ootused taanduvad reaalsematesse aja- ning mahuraamidesse. Siiski võib sellelt rahunemiseperioodilt oodata tehnoloogiate küpsemist ja värvi-, materjalivaliku (katsetused ulatuvad puidumassist šokolaadini) jt probleemide lahendamist, enne kui 3D-printimine märkamatult ühes või teises valdkonnas igapäevaseks hakkab muutuma.

Koduste 3D-printerite müük on viimastel aastatel hüppeliselt kasvanud (allikas: Wohlers Report 2012)

Nõustamisfirma Boston Consulting Group’i hinnangul mängib 3D-trükitehnoloogia arenedes üha enam rolli Ameerika tööstuse repatrieerimisel 10-30% ulatuses Hiina impordist USA-sse aastaks 2020 (millest oli ka juttu ühes varasemas Fututoa loos). Seda põhjusel, et tööstus hakkab üha enam tähendama kõrgete oskustega töökohti (disainerid, insenerid, tehnikaspetsid, logistikaeksperdid jt), mida ameeriklastel on lihtsam pakkuda. Kui tehasepõrandal on vaid mõni inimene robotitel jm automaatikal silma peal hoidmas, siis suure hulga odava (või isegi keskmise kuluga) tööjõu olemasolu enam eelist ei anna. See variant sobib hästi ka Eestile, kuna rahvaarvu suuruse poolest me ei hiilga, aga see vähene tööjõud on suhteliselt kõrgelt haritud ja eelistaks ka ise ilmselt lihtöödele pareminitasustatavaid ameteid. Nii ongi oluline nende tehnoloogiate arengutel silma peal hoida, et need õigel hetkel kokku viia tärkavate ärivõimalustega.



PS „Pika saba“ visioonäär Chris Anderson üllitas äsja raamatu „Makers: The New Industrial Revolution“ (eesti k „Valmistajad: uus tööstusrevolutsioon“), mille põhjal ilmus temalt oktoobrikuise ajakirja Wired’i kaanelugu.

Märkus:
1Additive manufacturing ingliskeelsed sünonüümid: additive fabrication, additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing ja freeform fabrication.

1 kommentaari :

Kristjan Rebane ütles ...

Siin on üks hea hetke-ülevaade turulolevatest tarbijasõbralikest 3D-printeritest hinnavahemikus 500-5000 USA dollarit: http://www.engadget.com/2013/01/29/3d-printer-guide/

Postita kommentaar