Как щепотка титанового порошка превращается в сложнейшую металлическую конструкцию в Apple Watch? Эксклюзивное интервью

Корпус титана последнего поколения Apple Watch изготавливается из щепотки мелкого металлического порошка.

Без рева токарного станка, искр и пронзительного скрежета режущего инструмента по металлу — титановая версия Apple Watch не вырезана, а «напечатана».

Для многих термин «3D-печать» по-прежнему ограничивается лабораторными исследованиями и созданием прототипов: печатью концептуальной детали или модели для проверки идеи. Однако именно Apple стала первой компанией, внедрившей эту технологию в массовое производство потребительской электроники.

Это не демонстрация мастерства.

Почему 3D-печать?

Традиционная металлообработка — это субтрактивное искусство: цельный кусок металла разрезается, фрезеруется и шлифуется со всех сторон на станке с ЧПУ (фрезерный станок с числовым программным управлением), а лишние части постепенно обрезаются до нужной формы, а затем шлифуются и полируются.

Этот метод обеспечивает чрезвычайно высокую точность обработки, но у него неизбежно есть существенный недостаток — отходы.

«Легко ли обрабатывать металл, можно определить по первому надрезу». Превосходные свойства титана признаны во многих отраслях промышленности: он лёгкий, прочный и устойчивый к коррозии, что делает его естественным «инженерным материалом». Однако он также твёрд и негибок: высокая температура плавления и низкая пластичность затрудняют обработку. Инструмент изнашивается гораздо быстрее, чем при работе с алюминием, время обработки увеличивается в разы, и постоянно возникают проблемы, связанные с его «твёрдостью».

Раньше для таких сложных конструкций, как Apple Watch, инженерам часто приходилось сначала создавать более крупную заготовку, а затем медленно «высекать» нужную форму изнутри. Это было похоже на высекание небольшой статуи из гигантской скалы — зрелище впечатляющее, но не очень эффективное.

Аддитивное производство полностью переосмыслило эту логику. Его подход представляет собой процесс «добавления» — наложения материалов слой за слоем для формирования формы, подобно тому, как вы формируете текстуру торта с помощью кондитерского мешка — точно и сдержанно.

60 микрометров, 900 слоев: траектория роста корпуса часов

Процесс печати начинается с щепотки переработанного титанового порошка.

«Раньше титанового порошка не существовало», — рассказала iFanr Кейт Бержерон, вице-президент Apple по дизайну продукции и руководитель отдела инновационных материалов для всех продуктов Apple. Она добавила, что получение и использование перерабатываемого титанового порошка само по себе является огромным прорывом.

Титан — твёрдый и химически активный металл, способный даже взорваться при высоких температурах. В целях безопасности Apple распыляет необработанный титан, чтобы снизить содержание кислорода, и предельно точно настраивает параметры лазера.

Каждый принтер оснащён гальванометрической системой, состоящей из шести лазерных лучей. Каждый луч действует как тонкое перо, направляемое гальванометрической системой, и наплавляет слой поперечного сечения детали на поверхность порошка.

После завершения одного слоя печатная платформа опускается на 60 микрометров (примерно на ширину человеческого волоса), а сверху наносится новый слой порошка, который продолжает плавиться.

После укладки 900 слоев получилась базовая форма корпуса часов.

После печати детали оставались погребенными в куче порошка, а инженеры удаляли излишки порошка методом вакуумного отсоса.

Затем ультразвуковое вибрационное устройство используется для более точного удаления порошка с напечатанных деталей, обеспечивая полное удаление остатков порошка из щелей и мелких деталей внутри корпуса. Весь порошок перерабатывается и используется повторно.

Затем фасонные детали аккуратно отрезали от базовой плиты с помощью алмазной канатной пилы.

От чернового к изысканному: искусство постобработки

Шероховатость поверхности металлических деталей, изготовленных методом аддитивного производства, далека от соответствия требованиям к внешнему виду потребительских товаров, особенно таких продуктов, как Apple Watch Series 11, для которых требуется полированная зеркальная поверхность, сложная структура и видимость как внутри, так и снаружи.

Таким образом, начался процесс, называемый «постобработка».

Процесс включает в себя прецизионную обработку на станке с ЧПУ для корректировки размеров, пескоструйную обработку или полировку для создания текстуры, литье под давлением для интеграции других компонентов и, наконец, финишную обработку поверхности. Модель Ultra 3 прошла тонкую пескоструйную обработку для придания ей прочности и прочности, а Series 11 стремится к гладкой, почти зеркальной поверхности.

«Мы нисколько не пожертвовали точностью или структурной целостностью», — подчеркнула Кейт, добавив, что Apple не пожертвовала качеством ради 3D-печати.

Сайт iFixit, специализирующийся на разборке, также подтвердил это, показав под микроскопом едва заметные следы печати на корпусе Ultra 3. Однако при тестировании на твёрдость корпус Ultra 3, как и его предыдущая кованая версия, показал царапины только при твёрдости по шкале Мооса 6 — значительное улучшение по сравнению с предыдущей моделью Ultra 1 (которая царапалась при твёрдости 5).

Защита окружающей среды — это активная технологическая битва.

Если корпус часов можно изготовить традиционными методами, зачем Apple идти на столь существенные затраты на НИОКР?

В конце концов, обычным пользователям все равно, напечатаны ли Apple Watch на 3D-принтере или нет.

Ответ кроется в другом, более грандиозном обещании:

Apple планирует сократить выбросы углерода на 75% по сравнению с уровнем 2015 года. Ключевые шаги включают в себя: продвижение использования возобновляемых источников энергии в своей цепочке поставок, внедрение низкоуглеродных методов транспортировки и повышение уровня переработки за счёт инновационных материалов.

3D-печать находится на стыке этих трёх направлений. Она не только повышает степень переработки титана до 100%, но и сокращает расход материала примерно на 50% по сравнению с ковкой, тем самым уменьшая выбросы углерода в процессе производства.

Раньше мы были бы очень рады, если бы смогли повысить эффективность использования материалов на 10–15%. Но теперь мы сокращаем расход материалов вдвое — с точки зрения выбросов углерода это чрезвычайно значимая победа.

По словам Сары, вице-президента Apple по вопросам экологии и инноваций в цепочке поставок, защита окружающей среды — это не пассивная обязанность, а технологическая битва, требующая активных действий. И 3D-печать — ключевое оружие в этой битве.

Ее команда отвечает за реализацию двух основных целей в глобальной цепочке поставок Apple: достижение углеродной нейтральности к 2030 году и производство в будущем всех продуктов из переработанных и возобновляемых материалов.

По ее словам, Apple уже выполнила 60% своих целей по сокращению выбросов углерода, но сократить оставшиеся выбросы углерода будет все сложнее.

Мы ищем решения, которые принесут пользу планете, а также самому продукту и пользовательскому опыту.

От ЧПУ к 3D-печати: следующий этап эволюции производства

Пятнадцать лет назад компания Apple использовала обработку на станках с ЧПУ для создания MacBook Unibody, положив начало революции в точном производстве и дав начало целому поколению промышленной модернизации.

Способность Apple интегрировать титан, напечатанный на 3D-принтере, в больших масштабах вселяет уверенность в том, что другие OEM-производители последуют ее примеру.

За последний квартал мы наблюдали, как крупные бренды интегрируют аддитивное производство в свои повседневные продукты и операции — от потребительских игрушек и велосипедных компонентов до обувных платформ и заводских запасных частей. Тенденция сохраняется: пилотные производственные линии развиваются до уровня серийного производства, экономические показатели улучшаются при средних объёмах производства, а интеграция с цифровыми системами качества становится более тесной. Проще говоря, аддитивное производство превращается из новинки в норму.

3DS Pro, профессиональная организация, специализирующаяся на аддитивном производстве металлов, считает, что значение 3D-печати металлами заключается не только в «использовании нового процесса», но и в доказательстве того, чего ранее почти никто не осмеливался представить: 3D-печать титаном действительно позволяет добиться качества поверхности и контроля допусков, необходимых для потребительской электроники в больших масштабах. Речь идёт не о пробной партии из нескольких десятков изделий, а о серийном производстве на уровне миллионов единиц.

Но что еще важнее, творческое пространство, которое оно предоставляет, официально открыто.

Традиционная субтрактивная обработка всегда ограничена такими факторами, как режущие инструменты, радиусы гибки и пластичность материала. Но 3D-печать работает по совершенно иной логике: она позволяет создавать решётчатые структуры внутри компонентов, формировать сложные полые каналы за один этап и получать переходные геометрии, которые невозможно обработать традиционными методами.

Яркий пример — iPhone Air: его корпус USB-C изготовлен с помощью 3D-печати из того же переработанного титанового порошка, что и корпус Apple Watch. Этот процесс позволяет разработчикам сохранить прочность и долговечность конструкции, одновременно добиваясь чрезвычайно тонкого и лёгкого корпуса.

«Поначалу это было одновременно захватывающе и немного пугающе, — сказала Кейт, — потому что теоретически с помощью этого устройства можно напечатать любую форму. Мы полностью понимаем, как печатается титан, и теперь будем изучать, как применить этот процесс к большему количеству продуктов».

«Пока рано говорить о революции, — осторожно сказала Кейт, — но это, безусловно, важное новое дополнение к нашему арсеналу».

Затем она сказала что-то очень в стиле Apple: «Нет предела совершенству».

Это также как будто оставляет место для будущего: «Мы с нетерпением ждем того, какие новые вызовы эта технология поставит перед дизайнерами».

«Это ни в коем случае не конец, а новое начало».

#Добро пожаловать на официальный аккаунт iFanr в WeChat: iFanr (WeChat ID: ifanr), где вы сможете как можно скорее получить еще больше интересного контента.

ifanr | Исходная ссылка · Просмотреть комментарии · Sina Weibo