Пермские ученые импортозаместили связующее («клей») для 3D-печати металлом
Российский рынок 3D-печати к 2030 году может вырасти более чем в четыре раза, до 58,2 миллиарда рублей. Однако он критически зависит от импорта: 85% оборудования и 70% материалов остаются зарубежными. Это сдерживает внедрение перспективных технологий, таких как Metal Binder Jetting (MBJ) — струйное нанесение связующего для серийного производства металлических изделий широкого назначения. Ключевая проблема скрыта в отсутствии отечественного сырья, в том числе, полимерного связующего, «жидкого клея» для 3D-печати металлическими порошками. Ученые Пермского Политеха и ООО «НПО «Керамет» провели детальный анализ импортного состава и расшифровали его рецептуру. Это открывает путь к созданию российского аналога, снижению затрат и внедрению MBJ в нефтегазовой отрасли и авиации.
Мировой рынок 3D-печати в 2025 году достиг 21,9 миллиарда долларов. Ожидается, что он будет расти на 18% в год, а к 2034 году может составить 115 миллиардов. Особое место в этой революции занимает Metal Binder Jetting (MBJ) — перспективный метод для серийного производства.
MBJ — это технология 3D-печати, работающая по принципу струйного принтера и использующая в качестве основного материала металлический порошок. Процесс начинается с нанесения на платформу тонкого равномерного слоя, например, стального. Печатающая головка точечно распыляет жидкое полимерное связующее — специальный «клей», мгновенно соединяющий частицы. Затем платформа опускается, наносится новый слой, и цикл повторяется до формирования объемной заготовки. После печати ее нагревают для окончательного отверждения состава, извлекают из окружающей не склеенной порошковой массы и отправляют в печь для спекания. При этом полимерный «клей» полностью выгорает, а частицы металла образуют цельную и плотную готовую деталь.
К 2034 прогнозируется рост рынка MBJ до $330+ миллионов. Такой потенциал объясняется уникальными возможностями технологии. Благодаря ей можно экономично и быстро создавать детали со сложной внутренней геометрией (каналы, решетчатые структуры), которую тяжело получить традиционным литьем или механической обработкой.
MBJ находит применение в самых требовательных отраслях: изготовление сверхлегких авиационных и космических компонентов (где важен каждый грамм), сложных систем охлаждения электроники и двигателей, индивидуальных медицинских имплантов с особой структурой, а также нестандартных деталей и легких каркасов в робототехнике и новом промышленном оборудовании.
Метод экономически эффективен за счет высокой скорости и снижения издержек на деталь при росте тиража. Связующее наносится сразу на весь слой, что ускоряет печать и позволяет одновременно изготавливать множество заготовок. При этом неиспользованный металлический порошок можно легко собрать и использовать повторно, а отсутствие необходимости в специальных поддерживающих конструкциях снижает расход материала и упрощает постобработку в отличие от традиционных методов производства. Основные энергозатраты приходятся на финальное спекание в печи, которое можно проводить для сотен готовых заготовок одновременно, что значительно снижает себестоимость одной детали в крупной серии.
По итогам 2024 года российский рынок 3D-печати оценивался в 12 миллиардов рублей, но доля технологии Metal Binder Jetting остается незначительной. Это связано с тем, что полимерные связующие, ключевые элементы процесса, сейчас практически недоступны в России из-за зависимости от импортных материалов и отсутствия отечественных аналогов.
Создание такого связующего — сложная научная задача, так как оно должно одновременно обладать противоречивыми свойствами. Быть достаточно текучим для точной струйной печати, но вязким для мгновенного склеивания частиц порошка, обеспечивать прочность промежуточной заготовке и при этом полностью, без остатка, выгорать в печи. Поэтому подбор состава часто сводится к дорогостоящему методу проб и ошибок.
Точные рецептуры не раскрываются зарубежными производителями. Эта зависимость от импорта делает конечную продукцию значительно дороже, создает риски срыва поставок и задержек в реализации проектов, из-за чего передовая технология остается финансово недоступной для большинства российских промышленных предприятий.
Исследователи Пермского Политеха и компании ООО «НПО «Керамет» детально изучили состав импортного двухкомпонентного связующего (жидкость «А» и гель «В»), чья рецептура — коммерческая тайна. Статья опубликована в сборнике «Перспективные технологии реверс-инжиниринга и быстрого прототипирования». Хотя в общих чертах известно, что подобные материалы содержат акриловые полимеры, формальдегидные смолы и растворители, точный рецепт не раскрывается.
Специалистам предстояло определить состав каждого компонента и его роль. Для жидкости «А» нужно было установить полимерную основу и функциональные добавки, управляющие текучестью, стабильностью и кислотностью. Для геля «В» — идентифицировать отверждающую смолу и ее модификации. Кроме того, требовалось выяснить оптимальное соотношение компонентов при смешивании, чтобы итоговый материал хорошо печатался, прочно склеивал порошок и бесследно выгорал в печи.
Анализ жидкой основы «А» начался с метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) — «магнитного сканера», определяющего структуру молекул. Он выявил в смеси воду, органические вещества и признаки крупных полимерных цепей. Выпаривание показало, что на летучие добавки приходится 17,8% массы.
Затем, сравнив «магнитные отпечатки» исходной жидкости и сухого остатка с базой данных, ученые идентифицировали ключевые добавки.
— Каждая из них выполняет определенную функцию: метиловый эфир пропиленгликоля обеспечивает нужную текучесть для прохождения через сопла принтера, пропиленгликоль помогает образованию пленки и препятствует засыханию, N,N-диметилэтаноламин регулирует кислотность среды, стабилизируя состав, а бутиловый эфир диэтиленгликоля выступает в роли «медленного» растворителя, замедляющего высыхание для равномерного пропитывания слоя металлической основы, — пояснила профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, доктор технических наук, доцент Светлана Оглезнева.
Для точной идентификации состава применили два метода. Инфракрасная спектроскопия (ИК), работающая по принципу уникального поглощения света, позволила выявить основу материала — стирол-акрилатный сополимер. С помощью хромато-масс-спектрометрии (ХМС), разделяющей смесь на компоненты и определяющей их массу и структуру, подтвердили состав растворителей и обнаружили следы вещества, запускающего реакцию образования полимера.
Исследование геля-отвердителя В также началось с ИК-спектроскопии. Ученые выяснили, что основа геля — меламино-формальдегидная смола, модифицированная метанолом. Это означает, что для повышения стабильности продукта присоединили спиртовые группы.
Благодаря высушиванию выявили, что 13% массы геля составляет вода, придающая нужную консистенцию. Элементный анализ сухого остатка дал точное соотношение: углерод — 40.10%, водород — 7.71%, азот — 28.11%, кислород — 24.08%.
— Ключевая роль этого геля — быть отвердителем. При нагревании в печи он вступает в реакцию с основой из компонента А, создавая между ее цепями прочные поперечные связи. Этот процесс, называемый «сшивкой», формирует единую трехмерную сетку, которая и придает напечатанной заготовке необходимую механическую прочность перед окончательным спеканием. Дополнительная проверка показала, что компонент В — это практически чистая смола, разбавленная водой, без значительных посторонних примесей, — отметила Татьяна Поздеева, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе ООО «НПО «Керамет».
Telegram 
Дзен 
VK Ученые нашли убедительное свидетельство того, что Большое Магелланово Облако — одна из ближайших к нам галактик — впервые приближается к Млечному Пути. Это открытие меняет представления о будущем нашей Галактики — от орбит спутников до распределения окружающего газа.
Во времена Екатерины II один из немецких колонистов в России мутировал, из-за чего все его потомки получали раннюю болезнь Альцгеймера. Теперь среди них появился первый, кого она не тронула, — по мнению ученых, благодаря жаре, которой он должен был подвергаться на работе.
Формирование и эволюция звездных систем кажутся понятными и предсказуемыми, а их строение строго подчиняется законам физики. Строение «крылатых» радиогалактик выбивается из общих правил. Их необычная форма не имеет однозначного объяснения и остается предметом споров для астрофизиков.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно