Druk 3d: przedwczesna nowa nadzieja ? – Dzisiejsze wady technologii jutra

O technologii druku 3d (drukowanie przestrzenne / 3d printing) wspominałem już kilkakrotnie,czas najwyższy omówić tą technologię dokładniej. Jak zwykle w przypadku nowych technologii i ta została przewidziana m.in. w fantastyce naukowej,np. w serialu Star Trek, gdzie istniały tzw. „replikatory„. Od czasów stereolitografii technologia poszła znacząco do przodu,komercyjnie dostępne dla większości ludzi drukarki 3d pracują na tworzywach sztucznych (plastiki), w tym już dość wytrzymałym tworzywie ABS.Znane są jednak urządzenia pracujące również z wykorzystaniem włókna węglowego, a nawet komercyjne wykorzystujące np. beton czy metale. Zaawansowane drukarki 3d są urządzeniami dzięki którym można tworzyć np. protezy „na miarę” pod konkretnego użytkownika. Mało tego. Istnieją również urządzenia takie jak RepRap,czyli drukarki 3d które nie tylko są OpenSource (właściwie: OpenHardware !),ale mają też umożliwić docelowo (bo na razie można uzyskać raczej tylko części plastikowe) wyprodukowanie identycznego urządzenia na danym urządzeniu !

RepRap 1.0 - Darwin

RepRap 2.0 - Mendel

No dobrze.Czy zatem czeka nas świetlana przyszłość w której maszyny tego rodzaju będą mogły wykonać wszystko, a tradycyjne metody produkowania zostaną wyparte z rynku ? Niekoniecznie. A w każdym razie niekoniecznie jeszcze dziś czy jutro ponieważ wiele rzeczy wymaga jeszcze stanowczo dopracowania. I ja właśnie wyjaśnię tutaj dlaczego wymagają dopracowania lub dlaczego nie pasują one do każdego zastosowania.Oto powody – rosnąco:

  • Drukarka przestrzenna (zwłaszcza ta tańsza) jest wciąż rozwiązaniem kosztownym. Może i w wypadku plastików ceny zeszły już poniżej 1 $ za cm3 obecnie może to być nawet kilkanaście groszy za cm3 . Niby nic wielkiego, bo ceny spadają i będą spadać – ale jeśli chodzi o coś dużo wytrzymalszego jak plastik i metal, koszty urządzenia i produkcji nadal będą przez lata dość znaczne.
  • Drukarka przestrzenna ma ograniczenia co do dokładności wytwarzania obiektów i materiałów.W wypadku tańszych urządzeń komercyjnie dostępnych dla przeciętnego człowieka są to co prawda wartości rzędu 0,05-0,1 mm – wg danych handlowych – ale są.Ponadto produkcja niektórych rzeczy z plastików to za mało, powiedzmy sobie szczerze – tworzywa są tanie,ale nie należą do najwytrzymalszych materiałów…
  • Drukowanie przestrzenne wymagać może pewnej wiedzy.Zrobienie projektu w odpowiednim programie,określenie co jest wykonalne a co nie,ewentualne określenie wytrzymałości danego podzespołu jeśli to nie jest tylko prosta zabawka (a czasem i wtedy!)…
  • Drukarka przestrzenna drukuje większe lub bardziej dokładne (jeśli chodzi o rozdzielczość,nie stopień komplikacji) struktury przez dłuższy czas.W wypadku większych (bądź dokładniejszych) rzeczy mówimy tutaj o całych godzinach i dobach.
  • Drukarka przestrzenna drukuje podzespoły które musisz złożyć ty. Jeśli to będzie zamek do drzwi czy cokolwiek innego, składającego się z kilku/kilkunastu/kilkuset/… części to ty to musisz po wszystkim złożyć  – maszyna niestety nie zrobi tego za ciebie…        W praktyce, póki co nie wiem nic o urządzeniach które wykonują elementy z podzespołów,więc zakładam, że ich nie ma,tym bardziej,że problem robota przemysłowego składającego samodzielnie części jest problemem trudnym nawet dla specjalistów od sztucznej inteligencji. Choćby dlatego ludzie po automatyce i robotyce znający się na swojej pracy jeszcze przez lata będą mieli zapewnioną pracę w automatyzujących się coraz bardziej fabrykach…
  • Drukarka przestrzenna łączy uzyskiwany materiał za pomocą specyficznych dla niej metod,co rzutować może na późniejszą mikrostrukturę i właściwości,co ogranicza je – dla przeciętnych konstruktorów i ludzi  w przeciwieństwie do mnie jest to wada niedostrzegalna.Zawsze można przecież zrobić grubsze/dołożyć inny materiał itd. co ? Wbrew pozorom nie zawsze, a w materiałach właśnie też kryje się jakość,mikrostruktura uzyskana w takim czy innym procesie technologicznym może zadecydować o dużo większej jakości, a co za tym idzie – niezawodności.Co prawda dzisiaj w dobie planowego postarzania produktu dla fabryk nie ma to takiego znaczenia – ale dla konsumenta powinno.Chodzi bowiem nie tylko o oszczędność czasu i pieniędzy (energii i materiałów – ta prawdziwa ekologia !) poświęconych na wydrukowanie zamiennika,ale także o nasz czas i zadowolenie z otrzymanego produktu, który nie powinien być oddawany zbyt często do naprawy. Możliwe jest oczywiście poddawanie pewnej obróbce po wyprodukowaniu.Ale to nie to samo.
  • Ze względu na oszczędności stosowana jest często struktura pełna pęcherzyków/rusztowań zamiast litej, co w określonych warunkach może wpływać na czas niezawodnej pracy, właściwości mechaniczne i nie tylko produktu końcowego.
  • Zejście poniżej pewnej skali (np. celem produkcji elektroniki użytkowej) wymaga zmniejszenia liczby błędów urządzenia oraz zapewnienia specyficznych warunków (cleanroom/atmosfera ochronna/próżnia itd)
  • Produkcja śmieci dzięki dostępności druku3d będzie narastać ze względu na ewentualne błędy,awarie oraz brak należytej kontroli jakości produktów.
  • W wypadku urządzeń typu RepRap i nie tylko istnieje problem utrzymania lub podnoszenia dokładności w kolejnych generacjach ze względu na ryzyko nawarstwiania się błędów i niedokładności produkcyjnych…

Opisane przykładowe problemy wskazują na kilka rzeczy:

  • Tam gdzie ważna jest struktura materiałowa i czas, lub lita struktura nadal popularne jeszcze będą przez dłuższy czas frezarki i tokarki CNC.
  • Przez dłuższy czas struktury kute i odlewane, oraz uzyskiwane z użyciem technologii specjalnych nie wyjdą z użytku i nie zostaną wyparte przez druk 3d,jednak druk przestrzenny może się okazać użytecznym narzędziem wspomagającym branżę odlewniczą, jak również – być może – w niektórych przemysłowych procesach specjalnych.
  • Konieczne jest przyspieszenie działania drukarek przestrzennych i zapewnienie jakiejś kontroli jakości ich funkcjonowania, oraz korekcji ewentualnych błędów.Być może również skorzystanie z dziedzictwa innych technologii,w tym dziedzictwa przemysłowych procesów specjalnych.
  • Istnieje nadal problem z rozszerzaniem zakresu stosowanych materiałów oraz potrzeba zapewnienia możliwości ich obróbki w trakcie realizacji procesu produkcyjnego („wydruku”), co zwiększyłoby przewagę i znaczenie urządzeń drukowania przestrzennego.
  • Istnieje i będzie prawdopodobnie narastał problem z zagospodarowaniem śmieci uzyskanych w wyniku druku 3d oraz ich recyklingiem.
  • W wypadku urządzeń typu RepRap i innych dokładność nie powinna być tylko czynnikiem mechanicznym – aby uzyskać odtwarzalność a nawet możliwość wytwarzania lepszych urządzeń w kolejnych generacjach.
  • Konieczny jest postęp w zakresie autonomicznego składania podzespołów uzyskiwanych w procesach drukowania przestrzennego,szczególnie przy składaniu w małych skalach.

Mikroprocesor – bardziej skomplikowany,ale tańszy od samochodu i dlaczego ?

Niektórzy ludzie oceniający rzeczy po ich cenach mogliby uznać,że dobry mikroprocesor jest mniej wart od samochodu.Mało kto docenia i dostrzega tu różnicę masy.Oczywiście związane są z tym też przyczyny użytkowe – ale fakt pozostaje faktem: Z racji jej masowości technika mikroprocesorowa jest bardzo niedoceniana i wielu ludzi nie zdaje sobie sprawy, jak złożoną kwestią jest uzyskanie tego mieszczącego się w dłoni układu elektronicznego, wartego te kilkadziesiąt (te stare), kilkaset do kilku tysięcy złotych.Tymczasem o ile dobry mechanik byłby w stanie złożyć jakiś samochód w garażu, to złożenie prostego wydawałoby się procesora typu ASIC wymaga już bardziej kosztownego sprzętu i jest nieco trudniejsze w praktyce…

Aby wytłumaczyć w czym leży problem zacznijmy od materiału filmowego (przypuszczalnie reklamowego) firmy GlobalFoundries , produkującej mikroprocesory m.in. dla takich firm jak AMD i Qualcomm – być może dzięki niemu osoby znające język angielski zrozumieją skalę problemu:

Jak można się dowiedzieć z załączonego filmu istnieją następujące główne problemy związane z produkcją mikroprocesorów – są to:

A) Odpowiednie zaprojektowanie mikroprocesora – niech was nie zwiedzie mały czas jaki temu poświęcono,w praktyce projekt jest kluczowy dla realizacji działania chipu w sposób prawidłowy. Nie chodzi tu tylko o ograniczenie takich problemów jak elektromigracja , wycieki elektronów czy degradacja obwodów – w praktyce pomimo faktu,że dużą część projektu mikroprocesora do formy finalnej opracować może komputer, fakty są takie,że algorytmy projektowania obwodów są wciąż na tyle niewydajne, że kluczowe elementy – celem zaoszczędzenia energii zużywanej przez obwód i miejsca na chipie muszą projektować i przeprojektowywać ludzie. Inna od oczekiwanej pozycja rynkowa (przynajmniej w porównaniu z tym czego oczekiwała firma AMD) układu AMD FX (Buldozer) w zakresie zbyt dużego zużycia energii i miejsca wg wypowiedzi 1 z byłych inżynierów AMD była właśnie spowodowana tym,że inżynierowie AMD nie projektowali kluczowej części procesora. (Swoją drogą w tym artykule po raz kolejny użyte jest słowo Silikon zamiast krzem.W języku polskim zaś silikony to nieco inne materiały – polimery krzemoorganiczne, nie krzem – jakość dziennikarstwa technicznego w Polsce po prostu jest żałosna). Poziom komplikacji mikroprocesorów przedstawię poniżej na mikrofotografii procesora UltraSparc T2:

Sparc T2 Open Source Chip

Proste ? Nie sądzę. Uproszczony diagram ? Proszę bardzo:

T2 - Diagram

Obecnie produkowane inne procesory nie wyglądają dużo prościej…

B) Produkcja – problemy produkcyjne zostały częściowo wymienione w filmie dokładniej.Wymieńmy je zatem:

  • Uzyskanie oczyszczonego krzemu – krzem zanieczyszczony oznacza wadliwe układy.W dodatku np. pierwiastki promieniotwórcze w układach pamięci, czy procesorach mogą spowodować błędy – dlatego konieczne jest ich usunięcie.
  • Wytworzenie monokryształu – z reguły metale w tym krzem krystalizują jako polikryształy,konieczne jest zatem zapewnienie do krystalizacji specyficznych, ściśle określonych warunków tak by nie doszło do zarodkowania polikryształów w strukturze. Nawet w przypadku fotowoltaiki polikryształy są mniej wydajne – cóż dopiero mówić o przypadku procesorów.Wytworzenie monokryształu zajmuje bardzo długi czas,a wytworzenie monokryształu o odpowiedniej średnicy jest kluczowe – im większa średnica, tym więcej układów można wytworzyć na pojedynczym „waflu”, co przekłada się na zysk i cenę.
  • Prawidłowe wycięcie „wafli” (ang. wafer) monokrystalicznych – może i pomijane, ale bardzo ważne. Grubość pojedynczej warstwy to przecież ułamek milimetra,ważna jest też orientacja krystalograficzna, ze względu np. na późniejsze domieszkowanie.
  • Walka z pyłem i funkcjonowanie cleanroomu – pokazane na filmie, problem uzyskania środowiska o czystości np 1000 razy większej niż naturalna jest dość złożony i wymaga nie tylko ubioru ochronnego ale i stałego zaawansowanego filtrowania i odprowadzania powietrza. Powietrze w takich clean roomach może być wymieniane setki razy,ciśnienie jest zaś często nieco wyższe, by powietrze jeśli już „uciekało” a nie przepływało (z zanieczyszczeniami) do środka.
  • Uzyskanie (co najmniej kilku) określonych warstw „matryc”, dzięki technikom fotolitografii (obecnie m.in. ultrafiolet) z zastosowaniem odpowiedniej chemicznej warstwy ochronnej. Brzmi pięknie w teorii,w praktyce jednak wymaga odpowiednich soczewek,odpowiedniej wiązki światła,odpowiedniej manipulacji wiązką i odpowiedniego ułożenia „wafla”.
  • Wykorzystanie technik implantacji jonów/domieszkowanie – wymaga odpowiednich metod nanoszenia warstw atomowych,tak samo trawienie – wymaga określonych kwasów.I wszystko oczywiście przy zachowaniu odpowiedniej dokładności !
  • Wycięcie pojedynczych mikroprocesorów
  • Testowanie – nie wspomniane,tymczasem oprócz ilości praktyczny uzysk (czyli udział  sprawnych mikroprocesorów) zależy właśnie od niego.tzw.Uzysk nie jest podawany przez producenta,tak samo jak nie były podawane parametry przy których procesor zaczynał działać niestabilnie. Realnie w latach 90-tych bywało tak,że tylko 50% procesorów przy otwarciu produkcji było sprawnych,oczywiście w miarę jak ją kontynuowano – błędów znacznie ubywało.Proces testowania jest bardzo złożony i wymagający.I tak, jak w przypadku oprogramowania – wszystkiego przetestować się zapewne nie da, dlatego trzeba się pilnować przy produktach pierwszej danej generacji.Tym niemniej, producenci w obecnych czasach wypuszczają również poprawki do oprogramowania procesorów.Zysk to co najmniej kilka procent wydajności,stąd czasem warto takie poprawki zainstalować – jest to w końcu równie dobre rozwiązanie jak np. rekompilacja programów na danym procesorze celem polepszenia wydajności.
  • Osadzanie mikroprocesora na podstawce – na filmie wygląda bardzo prosto i ładnie – ale niech was to nie zmyli.Tu bardzo łatwo o błąd i uszkodzenie mikrochipu.  Łączenie między nóżkami a układem wbrew pozorom jest równie krytyczną, co pozostałe momenty częścią procesu produkcyjnego.

Wafer - wikipedia

Jak widać na podstawie tych informacji i filmu wytworzenie mikroprocesora generalnie wymaga laboratoryjnej czystości i dokładności na wszystkich poziomach procesu produkcyjnego która jest bardzo kosztowna i praktycznie nieosiągalna w zwykłym garażu dla zwykłego człowieka.Co nie znaczy,że dla każdego zwykłego człowieka.Czy elektronika drukowana w technologii 3d będzie tu jakimś rozwiązaniem ? Zobaczymy.Aczkolwiek elektronika wysokiej jakości drukowana w technologii 3d zapewne nie będzie dostępna zbyt szybko, ze względu na problemy które wymieniłem i które w jakiś sposób muszą być najpierw rozwiązane. Nieco lepiej sprawy się mają jeśli chodzi o układy FPGA – jako wzorzec małoseryjnego procesora, bądź innego układu układy programowalne mogą  być swobodnie wykorzystane bez ponoszenia takich kosztów jakie byłyby potrzebne dla uzyskania złożonego układu ASIC.

Zresztą porównanie procesora i samochodu można streścić krótko – jeśli zepsuje się procesor za kilka tysięcy złotych to nic nie pomoże odesłanie go do mechanika.Dlaczego ? Przecież są ludzie którzy używają i samochodów za kilka tysięcy złotych w Polsce i je naprawiają,poddają tuningowi (no dobrze – procesory też można przetaktować ale nie o to chodzi) i przeróbkom. Rzecz w tym,że takie rzeczy w przypadku procesorów są w praktyce nie do zrealizowania. Dlaczego ? Ponieważ właśnie – procesor czy jego naprawa byłyby ZBYT SKOMPLIKOWANE

Ze względu na dostępność narzędzi,komplikację/kompleksowość i skalę…