Когда мы разобрали самый тонкий портативный компьютер Apple, мы были поражены его изысканным инженерным дизайном. При толщине всего 5,6 миллиметра его оказалось удивительно легко ремонтировать. Еще более удивительным было то, что зарядное устройство MagSafe использовало ту же батарею, что и сам телефон (и они были взаимозаменяемы!). Первоначальный восторг, возможно, утих, и если сообщения о сокращении производства верны, то этот энтузиазм может значительно поутихнуть.
Однако наш микроскопический анализ напечатанного на 3D-принтере разъема USB-C в iPhone Air вызвал небольшой ажиотаж в мире 3D-печати металлом. За последние шесть недель мы пообщались со многими экспертами в области аддитивного производства, и Apple подтвердила некоторые из наших ключевых выводов. Теперь пришло время поделиться ими с вами.
Итак, как же им это удалось? Как был изготовлен первый компонент для iPhone, напечатанный на 3D-принтере?
Небольшой порт, но вокруг много суеты.
Когда ЕС стандартизировал зарядные порты для электронных устройств, мы и весь мир ликовали. Но когда мы разобрали телефоны и внимательно изучили разъемы, нас больше всего волновал вопрос о том, являются ли они модульными: можно ли их заменить в случае повреждения?
В данном случае, ну, отчасти. Всё довольно сложно, гораздо сложнее, чем хотелось бы.
Однако на этот раз Apple предлагает нам внимательнее присмотреться к разъему: его корпус изготовлен методом 3D-печати из переработанного титана с помощью лазерного порошкового 3D-принтера от компании BLT. Этот процесс аддитивного производства был запущен одновременно с выпуском 3D-печатных титановых корпусов для Apple Watch Series 11 и Ultra 3.
Замечательно, что технология 3D-печати наконец-то используется в таком крупномасштабном производстве. Этот переход к 3D-печати также приносит значительные преимущества тем из нас, кто заботится об устойчивом развитии: Apple сообщает, что этот процесс позволяет сэкономить от 331 до 501 тонны материалов по сравнению с традиционными методами ковки. В эпоху, когда чрезмерное потребление является серьезной проблемой, эффективное использование ресурсов, несомненно, является долгожданным событием.
Загадка узора кругов на полях
После разборки iPhone Air мы исследовали разъем USB-C с помощью микроскопа Evident DSX2000. Увеличенное изображение разъема USB-C выявило загадочную деталь: цепочечный круговой узор на поверхности, который не смогли объяснить даже опытные специалисты по 3D-печати. В масштабе 50 микрометров этот узор выглядит крайне необычно.
Первые сообщения указывали на то, что Apple может использовать технологию струйной печати связующим веществом (binder jetting), процесс 3D-печати, при котором порошок соединяется со связующим веществом (действующим как клей). Два года назад, когда впервые стало известно об экспериментах Apple с 3D-печатью для корпусов Apple Watch, китайская компания EasyMFG продемонстрировала корпус для смарт-часов, напечатанный с использованием технологии струйной печати связующим веществом.
Однако под микроскопом узоры, созданные методом струйной печати связующим веществом, гораздо менее правильные, чем узоры, напоминающие круги на полях, которые мы наблюдали на корпусе разъема USB-C. Поэтому наши источники в отрасли подозревают, что то, что мы видели, не было результатом процесса струйной печати связующим веществом.
Здесь необходимо внести важное уточнение: несмотря на интересные сходства между ними, интерфейс USB-C не обладает антибактериальными свойствами. Круглые структуры, которые мы видим, диаметром приблизительно 30 микрометров, недостаточно малы; как показывают соответствующие исследования, для эффективного отталкивания бактерий необходимы углубления размером 5-10 микрометров.
Однако схожие узоры и размеры, хотя и не являются неопровержимым доказательством, предполагают возможное использование импульсной лазерной технологии. Кроме того, изображения показывают контуры подповерхностного слоя с одинаковым рисунком, что указывает на использование технологии на протяжении всего процесса печати, а не только на внешнем слое.
Как и ожидалось, вчера Apple опубликовала статью, описывающую их процесс: бесчисленные станки, каждый из которых оснащен шестью лазерами, накладывают 900 слоев титана для создания каждого корпуса Apple Watch. Хотя в статье прямо не упоминается “импульсная лазерная абляция”, ее описание подтверждает выводы наших экспертов.
Примечание редактора: На основании имеющихся изображений наши эксперты считают, что это импульсная лазерная абляция — процесс удаления материала для придания окончательной формы; аддитивное производство, с другой стороны, относится к лазерному плавлению — процессу создания компонентов с нуля.
Почему Apple может выбрать технологию импульсной лазерной абляции?
В статье Apple подчеркивались экологические преимущества 3D-печати с использованием титана и напрямую связывался этот выбор с целью компании достичь углеродной нейтральности к 2030 году.
В этом году использование печати вместо штамповки позволит им сэкономить более 400 тонн титанового сырья, что составляет значительную часть их годового потребления титана в 7000 тонн. Экологические преимущества сокращения отходов добычи и производства металла очевидны, а экономические выгоды также значительны: рынок титана всегда был нестабильным, и поскольку большая часть переработки титана происходит в Китае, цена на титан подвержена влиянию постоянно меняющейся тарифной политики.
Однако технология импульсной лазерной абляции имеет и другие преимущества, которые могут быть очень привлекательными для iPhone Air и Apple Watch Series 11 и Ultra 3.
Сейчас уже не так жарко.
Короткие импульсы (обычно в диапазоне от наносекунд до фемтосекунд) минимизируют рассеивание тепла, предотвращая деформацию или изменение цвета при плавлении частиц титанового порошка размером 50 микрон. Изменение цвета может быть незначительным для крошечных компонентов внутри iPhone Air, но оно имеет решающее значение для корпуса Apple Watch.
В статье Apple упоминается, что контроль температуры путем очистки переработанного титана для создания смеси с низким содержанием кислорода необходим; использование микроимпульсного испарения порошка титанового сплава может предоставить им еще один метод контроля передачи лазерной энергии на чувствительный к теплу порошок титанового сплава.
Это позволяет создавать полезные эффекты обработки поверхности.
Эта микротекстура, похожая на круги на полях, может играть роль в процессе сборки iPhone Air. Она потенциально может улучшить адгезию водонепроницаемых уплотнений или покрытий вокруг разъемов.
Фактически, Apple указывает это преимущество как одну из основных особенностей титанового материала, напечатанного на 3D-принтере и используемого в Apple Watch. Они заявляют, что их технология позволяет им…
“Улучшена гидроизоляция корпуса антенны в моделях с сотовой связью. Внутри корпуса таких моделей находится заполненный пластиком отсек для размещения антенны, а благодаря 3D-печати специальной текстуры на внутренней поверхности металла Apple добивается лучшего сцепления пластика и металла”.”
Нетрудно представить, что порт USB-C также мог бы выиграть от аналогичного подхода.
Это очень точно.
Импульсные лазеры позволяют гравировать или текстурировать металлические поверхности с субмикронной точностью, что делает их идеальными для обработки хрупких компонентов вокруг портов USB-C или для очистки участков после сварки. Учитывая чрезвычайно высокие требования к точности iPhone Air, необходимые для достижения его тонкого профиля в 5,6 мм, Apple, похоже, оценила возможности технологии импульсной лазерной абляции для обеспечения точности при таких размерах, как корпус порта USB-C и корпус Apple Watch.
Это очень эффективно.
В другой статье, написанной Энрикесом и соавторами (также из медицинской области), демонстрируется применение технологии сверхкоротких импульсов в качестве быстрого и эффективного метода производства. Учитывая потенциал использования этой технологии в массовом производстве компонентов для одного из самых продаваемых товаров в истории человечества (iPhone обогнал по продажам Toyota Corolla, хотя все еще отстает от таких классических вещей, как пшеница и Библия), внедрение этого процесса, который является более энергоэффективным, быстрым и более эффективно использует материалы, становится особенно важным.
Раскрытие тайны титана “аэрокосмического класса”.
В ходе расследования также был сделан еще один интересный вывод: конкретный сорт титанового сплава, используемый Apple. Маркетинговая команда Apple называет его “аэрокосмическим” титановым сплавом, но это не соответствует фактическому сорту сплава.
Это утверждение может быть несколько вводящим в заблуждение, поскольку рентгенофлуоресцентный анализ (XRF) показывает, что, хотя сплав основан на T6Al4V (одном из нескольких титановых сплавов “аэрокосмического класса”), использование феррохрома означает, что это не тот сплав, который обычно используется в аэрокосмической отрасли. Использование хрома делает сплав хрупким при высоких температурах, а содержание железа снижает его коррозионную стойкость — обе эти характеристики нежелательны в аэрокосмической отрасли.
Что еще более интересно, этот феррохром, по-видимому, является побочным продуктом процесса переработки титана. По словам одного из наших отраслевых экспертов, это говорит о том, что Apple перерабатывает титановые отходы, образующиеся в процессе производства, добавляя феррохром для создания этого уникального сплава, пригодного для 3D-печати, а затем повторно использует этот модифицированный титан в других продуктах.
Несомненно, этот специально разработанный разъем USB-C — настоящее инженерное чудо. Мы предполагаем, что основная цель его создания — обеспечение стабильности цепочки поставок, что позволит смягчить нестабильность мирового рынка титана, но сокращение отходов материалов также является желанным побочным эффектом.
Как можно обратить вспять это изменение?
Многие энтузиасты ремонта с энтузиазмом относятся к потенциалу 3D-печати, способному преобразовать отрасль: если люди смогут печатать запасные части дома, производителям не придётся хранить огромные запасы деталей на складах. Также не придётся тратить энергию и деньги на доставку деталей по всему миру. Люди смогут получать необходимые детали мгновенно. Компания Philips работает над реализацией этой идеи, и хотя прогресс идёт медленно, они уже разместили файлы для печати двух деталей своих бритв на сайте Printables.
Однако с Apple дело обстоит иначе. Apple не предоставила никаких файлов для печати. Даже если бы они были, учитывая используемые материалы и высокую специализацию процесса, пользователям с домашними 3D-принтерами было бы сложно их использовать. Кроме того, корпус USB-C из титана, напечатанный на 3D-принтере, прочно соединен с другими компонентами, а сам корпус Apple Watch нелегко повредить.
Короче говоря: как эти изменения могут компенсировать недостатки? Никак.
Технология 3D-печати обещает произвести революцию в производстве, повысить эффективность, сократить выбросы углекислого газа и уменьшить нагрузку на планету за счет снижения потребности в добыче полезных ископаемых. Но для большинства деталей и большинства производителей это пока недоступно. Очень немногие производители обладают необходимым опытом и инфраструктурой для внедрения таких процессов, не говоря уже о крупномасштабном производстве. Даже Apple начинает с малого: корпус разъема USB-C — это крошечная деталь в мелкосерийном продукте, что делает его идеальным для экспериментов.
Тем не менее, мы не можем оставить загадку кругов на полях неразгаданной. Поэтому мы глубоко благодарны экспертам в области аддитивного производства, которые помогли нам изучить возможности ее решения.