Оба-на!!!

"Новая архитектура смены фаз" — загадочное название для инженерного проекта. Подзаголовок "Управляемое компьютером строительство изо льда" не слишком проясняет замысел, хотя теперь уже можно догадаться, что под сменой фаз подразумевается заморозка воды. А получать таким способом учёные решили самые разнообразные изделия – от миниатюрных деталей машин до настоящих жилищ.

Речь идёт о так называемой трёхмерной печати, идущей под управлением компьютера. Мы рассказывали о ней, так же как о необычных её приложениях вроде самовоспроизведения роботов, печати живых органов и производства костей-имплантатов.

Питер Сайджпкес и некоторые его ледяные творения. Разумеется, искусный художник мог бы попробовать сделать нечто похожее вручную, но, что самое приятное, – эти композиции изготовил робот по цифровой модели (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University).

По идее, в самых массовых таких системах в качестве "чернил" используют различные полимеры, которые твердеют после распыления (при контакте с воздухом или от воздействия лазера). Канадцы же говорят: почему бы не задействовать обычную воду? Она способна радикально снизить стоимость готовых изделий (пусть работать им суждено либо крайне недолго, либо только на морозе), упростить и ускорить получение нужных деталей.

Идея эта сама по себе не нова. В университете науки и технологии Миссури группа учёных под руководством профессора Мин Лэу (Ming C. Leu) аж с 1999 года ведёт схожий проект — Rapid Freeze Prototyping. Только вот, как оказалось, такой простой материал, как H₂O, не означает автоматически простоту технологии. И тут имеется немало подводных камней. Потому канадцы решили взяться за собственный вариант подобной системы.

Система быстрого прототипирования при помощи заморозки воды, построенная в Миссури, и детали, полученные на ней (фотографии Missouri University of Science and Technology).

В качестве основы они использовали пару серийных роботов, которых переделали для выкладывания крошечных капель воды на поверхность рабочего стола или уже растущей детали, находящихся при низкой температуре (-23 °C). Именно "выкладывания", а не "бросания": чтобы изделия получались ровными и высокоточными, каплю за каплей следовало аккуратно наносить на предыдущий слой. При этом размер капель не превышает 0,25 миллиметра, а зазор между льдом и соплом робота равен всего 0,15 мм.

Первый робот, превратившийся в аппарат для создания "цифровых ледяных скульптур", — Fab@Home или FAH (представлен на снимке под заголовком). Изначально он для прототипирования и выпускается, но только управляется с обычными полимерами да смолами. Потому "инструментальную" часть его пришлось полностью заменить. К тому же для надёжной работы аппарата авторы проекта демонтировали всю электронную начинку FAH и вынесли её подальше от зоны заморозки в отдельный ящик.

	Ключевая часть переделанного робота FAH: 1 – трубки для рабочих жидкостей, 2 – манипулятор, 3 – провода, 4 – нагревательный элемент, 5 – микроклапаны, 6 – корпус распылителей, 7 – измерительная термопара, 8 – сопло для воды, 9 – сопло для рассола (фото Barnett, Jorge Angeles, Damiano Pasini).

Ввели авторы системы и другие новшества. Так, чтобы вода, поступающая в манипулятор машины, не замёрзла до выпуска через сопла, учёным и инженерам пришлось соорудить подогрев магистралей, удерживающий их температуру при плюс 10 градусах по Цельсию. Слой за слоем такой робот оказался способен выращивать из льда разнообразные вещи, нарисованные в компьютере.

Но главная находка канадцев – способ формирования тонкостенных ледяных деталей с ажурными частями. Чтобы они не ломались раньше времени и не стекали в стороны, пока не замёрзнут, напрашивались некие подпорки, строительные леса. Но как их можно было встроить прямо в растущую ледяную форму, и как потом убрать?

Выход оказался гениально прост. Леса надо делать также из воды. Но не обычной. Канадцы добавили к манипулятору робота второе сопло – для водного раствора хлорида калия. Именно им, словно вторым цветом, водно-ледяной "принтер" и вычерчивает контуры подпорок одновременно с элементами желанной вещицы.

При 20-30 градусах мороза и чистая вода, и рассол замерзают одинаково хорошо. А вот чтобы из получившейся заготовки извлечь окончательное изделие, его следует аккуратно подогреть до минус 4 градусов по Цельсию. Рассол тает и уходит прочь, а деталь из чистого льда – остаётся.

Ледяная пивная кружка – яркий пример использования солёных строительных лесов, которые тут пригодились для поддержки в процессе печати сравнительно тонкой ручки (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University).

Таким способом, рассуждают канадские новаторы, легко получать макеты деталей машин, модели зданий и прочие полезные вещи, которые архитекторы или инженеры хотели бы повертеть в руках. Пусть даже сидя на холоде и надев рукавицы. Иногда ведь такие изделия нужны буквально на считанные часы, а возни с ними…

FAH же способен выдавать изделия размером до 20 х 20 х 13,5 сантиметров. Его рабочая головка движется со скоростью до 15 миллиметров в секунду, так что на получение детали может уйти до 20 часов. Но это не так уж и плохо. А ещё больше ускорить процесс удалось в следующей версии системы, которая базируется на роботе-манипуляторе Adept Cobra 600.

Очевидно, что создавать уникальные, дизайнерские вещи изо льда лучше всё же вручную. Но если потребуется поставить выпуск ледяных предметов на поток? (фото Hotel de Glace).

Наконечник "Кобры" может перемещаться со скоростью уже до 100 миллиметров в секунду, а размеры рабочего пространства, в пределах которого машина выкладывала ледяные слои, достигает 30 х 30 х 20 сантиметров.

Чтобы защитить промышленный манипулятор от холода рабочей камеры, авторы проекта пошли на иную хитрость, нежели с FAH. Они создали морозильную камеру без "крыши". А к руке робота приделали удлинитель – 50-сантиметровую трубку с соплами на конце, покрытую толстым слоем теплоизоляции. Так сама машина осталась вне рабочей зоны, в которой и велось выращивание деталей.

Adept Cobra 600 пришлось больше переделывать, к тому же он был вчетверо дороже предыдущего робота. Но результат того стоил. Повысилась не только скорость работы, но и точность получаемых фигур. Внизу, кстати, виден теплоизолированный удлинитель, выкладывающий фигурку изо льда (фото Centre for Intelligent Machines/McGill University).

Авторы New Architecture of Phase Change немало поломали головы над режимом выпуска водяных капель, варьированием их размера и температуры, рисунками "закрашивания" пространства внутри контуров будущих деталей (зигзаги, спирали и так далее). Они даже попробовали вариант Cobra 600 с распылителем воды, который позволял выращивать сравнительно простые формы с большей дистанции между рукой робота и рабочим столом (дном морозильника).

В конце концов Питер и его коллеги научились создавать из льда весьма сложные по геометрии изделия. А сейчас канадцы подумывают уже об "ответвлениях" своей технологии. Скажем, изучают способы получения металлических отливок точно по форме ледяных прототипов.

Ещё несколько ледяных фигурок, выращенных при помощи канадских аппаратов (фотографии Centre for Intelligent Machines/McGill University)

Все эти опыты, возможно, заинтересовали бы лишь специалистов по системам быстрого прототипирования, однако канадцы объясняют, что для них данные эксперименты – только ступень к созданию аналогичной технологии большего, "архитектурного" масштаба.

У университета Макгилла богатые традиции возведения крупных ледяных сооружений. Такие эксперименты канадцы ставят с 1972 года. А, казалось бы, зачем придумывать тут что-то новое, когда всё уже отработано веками: сколько люди построили "дворцов и хижин" из льда и снега, начиная с банальных иглу и заканчивая целыми замками из крупных ледяных блоков, выпиленных из поверхности замёрзших рек и озёр.

Вверху: Монреаль, 1885 год. Этот дворец – один из примеров крупномасштабного строительства из ледяных блоков. Он же послужил одним из вдохновляющих мотивов в современной работе канадских учёных. Внизу: ледяной дворец на современном фестивале ледяных скульптур в Харбине (фотографии McCord Museum, Markus Kallander)

Но учёных из Монреаля не устраивала одна особенность "дедовских приёмов" – трудоёмкость. Потому три десятка лет назад они придумали новый метод создания ледяных сооружений: на столбах и тросах растягивалась нейлоновая ткань, на которую в сильный мороз постепенно распыляли воду. Замёрзнув, она создавала удивительные "летящие" конструкции, лёгкие и прочные одновременно.

Ледяные конструкции на основе нейлона, построенные специалистами из университета Макгилла в 1970-х и 1980-х годах (фото Pieter Sijpkes et al.).

Нынешние новаторы говорят, что продолжают традиции университета. New Architecture of Phase Change – это попытка пойти ещё дальше. Набив шишки на настольных аппаратах, канадцы намерены построить большого робота, который, используя подаваемую воду, либо снег и лёд прямо со стройплощадки, мог бы схожим способом постепенно выращивать стены и крыши строений высотой до 6 метров. Точно по программе и без участия человека. Так получился бы принтер, экономно и быстро распечатывающий ледяные дома.

Идея строительного принтера, заметим, не один раз всплывала по обе стороны Атлантики (вот американский проект, вот — британский). Но только ранее исследователи говорили о домах обычных – из бетона. А канадцы полагают, что в ряде областей применения и "избушка ледяная" сгодилась бы. Например – в области туризма.

Ещё один пример использования "двухцветной" ледяной печати – после оттаивания "лесов" из солевого раствора остаётся бокал из чистого льда (фотографии Eric Barnett, Jorge Angeles, Damiano Pasini).

Наши постоянные читатели знакомы с ледяным отелем в Юккасъярви, а ещё, к примеру, есть схожий по замыслу Hotel de Glace в Квебеке. Представляете, сколько тонн льда нужно переместить на стройплощадку, чтобы возвести такие сооружения? И ведь значительная часть его уйдёт в отходы, после того как над колоннами и арками шедевра поработают архитекторы и скульпторы.

Замёрзшая вода, конечно, продукт бесплатный. Но сколько стоит труд рабочих и потраченное на стройку время? Целая армия огромных, средних и крошечных роботов, построенных по образу и подобию канадских прототипов, мечтают учёные из университета Макгилла, могли бы распечатывать и комнаты подобных дворцов, и мебель для них, и даже – ледяные стаканы для не менее ледяных пабов. Своего "архитектурного" робота канадцы намерены показать в 2010 году.

Канадский Hotel de Glace работает уже почти 10 лет (фотографии Hotel de Glace).