Напечатанное будущее: как аддитивные технологии меняют подход к разработке

С древнейших времен люди изготавливали различные предметы, вырезая их из более крупных кусков материала. Особняком стояли технологии литья и штамповки, но с их помощью получались лишь простые формы. Шли века, а методики не менялись.

Для получения сложных деталей приходилось прибегать к опиловке, резке, фрезерованию, токарной обработке, шлифованию и сверлению. Сегодня такие методы называют традиционными, или субтрактивными («вычитающие»). Термин «субтрактивные технологии» ввели всего несколько лет назад, чтобы отделить их от «аддитивных технологий» («добавляющие»), которые начали быстро набирать популярность.

Аддитивное производство — процесс изготовления физического объекта по трехмерной компьютерной модели. Как правило, это делают слой за слоем, хотя сегодня активно разрабатывают «неплоские» методы, в том числе с использованием роботов, способных двигаться вокруг детали гораздо свободнее.

Технология позволяет относительно быстро создавать объекты со сложной формой не только снаружи, но и внутри: деталь можно сделать пористой или ячеистой, что значительно снизит ее вес. Материала при этом будет уходить гораздо меньше. Но такая свобода действий дорого стоит: подготовка материала, создание трехмерной модели, затраты на работу устройства и сложность масштабирования зачастую делают аддитивные технологии экономически нецелесообразными.

Несмотря на все это, популярность аддитивных технологий продолжает расти. От пластиков и металлов до живых клеток и стекла, от наномасштаба до печати деталей самолетов — кажется, так называемая 3D-печать освоила любые материалы и проникла во все сферы науки и промышленности. На самом деле, это молодая технология.

Данную статью можно прослушать в аудиоформате.

История аддитивных технологий

Как и многие современные технологии, идея 3D-печати зародилась в научной фантастике. В 1945 году американский писатель Мюррей Лейнстер (настоящее имя — Уильям Фитцджеральд Дженкинс, William Fitzgerald Jenkins) опубликовал рассказ Things Pass By, в котором довольно точно описал современный 3D-принтер. По описанию, это было устройство, способное с помощью двигающейся роборуки по рисунку воссоздать объект расплавленным пластиком.

В 1971-м Йоханнес Готтвальд (Johannes F. Gottwald) запатентовал «прибор — самописец жидким металлом». Незадолго до этого появилась струйная печать, и Готтвальд просто развил ее, хотя сам признал, что материалов для изготовления такой машины на тот момент не было. Увы, срок патента истек раньше, чем изобретение стало реальностью.

Через несколько лет в журнале New Science вышла очередная колонка британского химика Дэвида Джонса (David Jones). Под псевдонимом Daedalus он еженедельно с юмором рассказывал о будущих технологиях, которыми, как потом оказалось, даже вдохновлял будущих нобелевских лауреатов. В 1974 году он юмористически описал стереолитографию — самый первый вид аддитивных технологий, — причем за десятилетие до ее появления.

В 1980-х аддитивные технологии стали ближе к реальности: японский изобретатель Хидео Кодама (Hideo Kodama) подал патент на «устройство для быстрого прототипирования» с помощью лазера. Однако заявку не приняли, и ученый забросил идею.

Ключевым стал 1984 год: тогда на патент подала группа французских изобретателей из фирмы Alcatel и Французского национального центра научных исследований (CNRS). Но они тоже не добились финансирования.

А вот Ведомство по патентам и товарным знакам США выдало свой первый патент на изобретение из сферы аддитивных технологий Биллу Мастерсу (William (Bill) Masters): тот действительно собрал 3D-принтер, но уже в начале 1990-х годов. Истинной страстью инженера были каяки, на которые он подал более 30 патентов, поэтому Мастерс решил заняться этим бизнесом, забыв о 3D-печати. Иначе сложилась судьба Чарльза Халла (Charles W. Hull). В 1984 году, всего через три недели после французских ученых, он подал патент на систему стереолитографии. Изобретатель предлагал создавать небольшие уникальные детали, освещая ультрафиолетовыми лампами фоточувствительный полимер слой за слоем. Первым изделием, которое он напечатал за год до подачи на патент, стала небольшая чаша для промывки глаз, умещающаяся на ладони. На печать ушло 45 минут.

Два года спустя патент одобрили. Халл основал компанию 3D Systems и в 1988 году выпустил первый коммерческий 3D-принтер под названием SLA-1. Он также представил новый формат файлов STL и процесс разделения модели на слои, который мы используем по сей день.

Халл стал отцом 3D-печати, хотя тогда ее называли «быстрым прототипированием». Термин «3D-печать» предложил в 1993 году Эмануэль Сакс (Emanuel Sachs), профессор Массачусетского технологического института (США).

Вскоре после утверждения изобретения Халла на SLA запатентовали и другие популярные технологии 3D-печати: SLS и FDM. Срок последнего патента на них истек в 2014 году.

Порошки и прутки, лазеры и «клей»

Итак, какие аддитивные технологии существуют сегодня? Начнем со стереолитографии (SLA), придуманной Чарльзом Халлом. Сетчатая платформа, на которой будет печататься деталь, постепенно опускается в емкость, наполненную жидким фоточувствительным полимером. С каждым «ходом» платформа погружается на доли миллиметра, и лазер «рисует» в жидком полимере новый слой детали, который тут же затвердевает. Вместо лазера может быть проектор либо экран — он будет провоцировать затвердевание сразу всего слоя; такой метод называют масочным.

Стереолитографию активно используют для печати прототипов в разных сферах, в том числе в медицине, ювелирном деле и дизайне. Этот метод позволяет получать небольшие изделия с высокой степенью детализации.

Следом появился метод селективного лазерного спекания (SLS): он похож на SLA по своей схеме, только вместо жидкого полимера в нем используют порошок того или иного материала — пластика, металла, керамики, даже стекла. Лазер не провоцирует затвердевание, а спекает частицы.

Появившийся чуть позже метод послойного наложения (FDM) уже больше похож на «печать». В нем нет целой емкости с жидким полимером и порошком — материал подается в форме прутка, который плавится на выходе из «носика» принтера. Этот способ стал самым распространенным.

С годами внедрили и другие технологии. К примеру, метод струйной печати связующим веществом (binder jetting) похож на SLS и SLA, только вместо лазера в нем используют «клей». Иногда связующее вещество удаляют в процессе дополнительной обработки, заодно сокращая пористость материала. Помимо этого, развиваются методы прямого подвода энергии и материала (DED). Это может быть как наплавление прутка материала лазером, плазмой или электронным лучом, так и напыление порошка с одновременным лазерным плавлением. В работе с порошком есть преимущество — центральные ядрышки не плавятся, а изнутри становятся центрами новой кристаллизации. Методами FDM и DED можно не только печатать новые детали, но и ремонтировать старые. В большинстве случаев это позволяет быстро создавать прототипы и изделия привычных нам размеров.

От нанометров до зданий

Печать в микро- и наноразмере открывает возможности для развития в первую очередь микроэлектроники и биотехнологий. В основном используют те же фоточувствительные полимеры, но еще появляются разработки из металла (стали, меди и золота) и стекла.

В августе 2023 года шведские ученые представили самый маленький в истории пивной бокал, который почему-то назвали винным: его диаметр меньше толщины человеческого волоса. Правда, это была лишь демонстрация возможностей технологии. Помимо бокала, изобретатели представили оптический резонатор для оптоволоконных систем связи. По словам исследователей, этот метод можно применять и для создания уникальных линз медицинских приборов и микророботов.

Однако развитие технологии движется не только в сторону уменьшения масштабов, но и в сторону увеличения. Такие примеры есть у «Норникеля».

В 2022 году специалисты российской компании с помощью 3D-печати создали бронедиск весом 313 килограммов, а в 2023-м — улитку насоса из чугуна весом в полтонны для Надеждинского металлургического завода в Свердловской области. Обычно на замену такой детали требуется год, и большая часть времени уходит на составление подробных чертежей. Тут же удалось быстро создать модель и отлить большую износостойкую спиральную камеру, которая критически важна для работы.

Принтеры для печати больших деталей разрабатывает и Росатом. В 2023 году госкорпорация представила самый большой в России 3D-принтер для печати металлами — ИЛИСТ-2XL. Вес изделий, созданных с его помощью, может исчисляться тоннами. В перспективе на такой установке, работающей по методу DED, можно и корпус реактора напечатать, а пока — сложные по геометрии детали реакторных установок. В планах «Росатома» — совместно с «Корабелкой» (Санкт-Петербургский государственный морской технический университет) создать более масштабный принтер с шестью роботами, который сможет печатать детали диаметром до четырех метров.

Еще масштабнее — «печать» зданий бетоном. В 2014-м китайская компания WinSun создала так десять домов всего за 24 часа, а год спустя показала пятиэтажное здание. С тех пор напечатанные дома появились во многих странах, в том числе в России.

Например, американский стартап Apis Cor напечатал дом в подмосковном городе Ступино. Компания AMT печатает дома в Татарстане, Ейске и Элисте. «Газпром нефть» с помощью 3D-принтера построила первое такое здание в Заполярье в 2023 году: при его создании использовали энергоэффективный пенобетон, поэтому осенью и весной дом не будет требовать дополнительного отопления.

Некоторые американские компании пошли дальше и разрабатывают методы 3D-печати зданий на Луне. А стартап ICON напечатал в Космическом центре имени Линдона Джонсона пробное строение для Марса, в котором NASA этим летом поселило четырех волонтеров. Участники эксперимента проведут в изоляции год, представляя, что живут на Красной планете. Также компания разрабатывает технологии и концепты для печати зданий из лунного реголита.

Несмотря на размеры, все это примеры «традиционного» производства новыми методами. Важное преимущество аддитивных технологий в том, что они открывают совершенно новый подход к разработке.

Мобильность и градиент свойств

Когда инженеры получили широкий доступ к аддитивным технологиям, они не сразу поняли, как подступиться к этой «игрушке» (именно так ее долгое время воспринимали). Вскоре стало ясно, что нет смысла повторять лишь форму детали, которую можно создать традиционными методами.

По словам Андрея Травянова, директора института ЭкоТех НИТУ «МИСИС», «грех», который чаще всего приписывали аддитивщикам, — повторение формы без повторения свойств. Поставишь такую деталь в мотор, она и развалится. Но стоило разобраться, как на свойства детали влияет мощность лазера, какая образуется пористость и с какой скоростью должно идти сканирование, — и стали получаться детали более высокого качества, чем позволяли традиционные методы. 

Теперь очевидно, что и сам подход означает большую мобильность. Загрузил обычный контейнер необходимым оборудованием — и можно отправляться в любую точку. Концепт таких контейнеров весной представил Росатом. В госкорпорации рассказали, что первый мобильный аддитивный комплекс уже проходит адаптацию, на нем изготовили несколько тысяч резинотехнических деталей для автомобильной техники. В перспективе подобные контейнеры можно установить на базах Северного морского пути — судоходного маршрута в Российской Арктике.

Более того, метод аддитивного производства позволяет наделять детали новыми свойствами. Пять лет назад Анатолий Попович, доктор технических наук, директор Института машиностроения, материалов и транспорта при СПбПУ, показал ажурный цельный шарик из титанового сплава: он отскакивал от пола, словно попрыгунчик. Да, снова демонстрация технологии. Но есть и практика — функциональная градиентная структура деталей. Например, российские ученые разработали лопатку двигателя для вертолета с разными механическими свойствами в разных частях.

Тогда же появились новые подходы к численному моделированию механических свойств таких материалов. Сфера их применения — не только аэрокосмические детали, но и, например, медицина, которая весьма заинтересована в развитии аддитивных технологий. Ведь наши кости имеют градиентную структуру, и это необходимо учитывать при разработке протезов.

Новая эра для медицины

Одними из первых аддитивные технологии заприметили стоматологи — еще в 90-х они стали печатать зубные имплантаты. Потом появились индивидуально разработанные протезы. Любопытно, что для «отца 3D-печати» Чарльза Халла применение аддитивных технологий в медицине стало полной неожиданностью.

В начале 2000-х ученые из Института регенеративной медицины Wake Forest (США) поняли, что с помощью 3D-принтера гораздо проще, чем вручную, создавать каркасы для выращивания тканей и органов для пересадки. Так вырастили первый орган — мочевой пузырь.

С тех пор эта сфера стремительно развивается. В 2018 году появилась первая напечатанная роговица, в 2019-м — «живой» образец биокожи, который создали в Политехническом институте Ренсселера (США). Тогда же ученые из Тель-Авивского университета (Израиль) напечатали сердце из человеческой ткани. Конечно, до повсеместного применения этих технологий пока далеко. Эксперты вовсе опасаются, что эти методы останутся дорогими и эксклюзивными.

Гораздо заметнее успехи в сфере протезов. В 2008 году напечатали первый протез ноги, не требующий дополнительной сборки, а в 2012-м пациенту успешно установили напечатанный протез челюсти.

В России такими медицинскими протезами занимается в том числе Росатом. Центр аддитивных технологий Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), входящий в госкорпорацию, создает медицинские имплантаты для челюстно-лицевой хирургии. С помощью 3D-принтеров (у центра уже есть машины российского производства) можно выпускать изделия из титана марки ВТ6 — этот сплав разрешено применять в медицине, поскольку он отлично сочетается с тканями живого организма. Научный дивизион Росатома уже сейчас может печатать локтевые и коленные суставы, межпозвонковые кейджи, пластины для остеосинтеза, ортопедические и другие имплантаты. Все эти каркасы изготавливают под каждого пациента индивидуально, из титана с биоактивным покрытием, поверх которого хорошо растет костная ткань. Имплантат быстрее приживается и зарастает клетками, что значительно ускоряет процесс восстановления. Цель — создавать изделия, которые и внутри, в ячеистой структуре, будут полностью покрыты биоактивными материалами. К 2030 году должны появиться трахеи и сосуды уже из живых клеток.

Протезами в России тоже активно занимаются. Компания «Моторика» (Сколково) — единственная в мире, которая на промышленном уровне создает активные протезы для детей старше двух лет.

Как мы видим, разработка уникальных деталей сложных форм — одно из множества преимуществ аддитивных технологий.

Плюсы аддитивных технологий

У каждого метода аддитивных технологий есть как сильные, так и слабые стороны, которые зависят от сферы применения. Но общие плюсы универсальны.

«Преимущество аддитивных технологий заключается в том, что конструкторы при разработке изделий меньше зависят от того, как изготовить изделие. При использовании аддитивных технологий возможно значительно сократить количество деталей в готовом изделии, они позволяют изменить конструкторский подход при разработке», — объяснил Александр Жедаев, руководитель направления проектного офиса по новым материалам и технологиям частного учреждения «Наука и инновации» (входит в госкорпорацию «Росатом»).

Второе важное преимущество — коэффициент использования материалов.

«Например, одна из проблем при изготовлении титановых изделий состоит в том, что непосредственно на изготовление изделия идет лишь 30% от общего количества материала, остальное — стружка. При использовании аддитивных технологий коэффициент использования материалом можно поднять до 90-95%», — добавил Жедаев.

Следующая сильная сторона — применение сетчатых структур.

«В одной из работ мы занимаемся медицинскими челюстно-лицевыми имплантатами. Там применение сетчатых структур позволяет повысить шанс того, что интеграция импланта пройдет максимально комфортно для пациента», — подчеркнул специалист.

Что тормозит аддитивные технологии?

Главная проблема — «железо»: дело в том, что скорость работы и масштабы 3D-принтеров пока сильно ограничивают возможности применения аддитивных технологий. Это объясняется в том числе условиями, необходимыми для функционирования оборудования. Так, в упомянутом выше 3D-принтере ИЛИСТ-2XL в процессе работы поддерживается инертная атмосфера.

Программное обеспечение — вторая проблема. Его разрабатывают производители принтеров, и на сегодня оно слабо интегрируется с ПО, которое, в частности, установлено на другой аппаратуре на том или ином заводе.

Следующий вопрос — материалы. Те же металлические порошки, применяемые в 3D-печати, — не металлический «песок», а металлическая «пыль». Ведет она себя почти как жидкость, все гранулы должны быть идеальной формы, почти одинакового размера и без каких-либо дефектов. Разработка дешевых методов создания таких «чернил» — отдельное направление исследований.

Наконец, компетенции. Как показала история развития 3D-печати, для эффективного использования аддитивных технологий нужны новые знания и подход к проектированию деталей.

Аддитивные технологии в России и мире

По данным исследовательской компании NeoAnalytics, российский рынок аддитивных технологий развивается быстро: в 2022-м его объем составлял четыре миллиарда долларов и за год вырос примерно на 3,3%. Но по темпам роста он еще отстает от мирового, который увеличивается примерно на 20% ежегодно. Проблема в том, что большинство отечественных компаний на сегодня создают решения именно для себя и внедряют их на собственных предприятиях.

Ольга Оспенникова, исполнительный директор Ассоциации развития аддитивных технологий, уточнила, что объем российского рынка — шесть миллиардов рублей, из которых 2,5 миллиарда приходится на оборудование для 3D-печати, 1,2 миллиарда — на материалы, примерно 2,3 миллиарда — на услуги.

Более 120 российских организаций уже развивают аддитивные технологии. По прогнозам, этот рынок продолжит расти высокими темпами, причем не только за счет объемов, но и за счет инноваций. Нужны новые материалы, решения и перестройка традиционного подхода к разработке деталей.

Александр Жедаев отметил, что в атомной отрасли под руководством Дуба Алексея Владимировича, научного руководителя направления «Материалы и технологии» госкорпорации «Росатом», разработан комплексный подход к развитию применения аддитивных технологий, который продемонстрирован в рамках федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» (часть комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации года» (ФП-4 КП РТТН)).

ФП-4 КП РТТН включает в себя задачи разработки материала, оборудования, программного обеспечения и технологии изготовления изделия с применением металлических и композиционных материалов. В 2022 году полученные результаты позволили обеспечить технологическую независимость при производстве отечественного аддитивного оборудования — в части  программно-аппаратной платформы, лазерно-оптической системы и электронно-лучевых источников энергии, которые сегодня уже применяются в перспективных образцах аддитивного оборудования нового типа — в установке прямой электронно-лучевой наплавки (АО «НИИ НПО «ЛУЧ», входит в научный дивизион Росатома) и в 3D-принтерах для работы с полимерными композитными и керамическими материалами (АО «НИИграфит», Росатом), разработка которых завершится в 2023 году.

В следующем году появится целая линейка аддитивного оборудования для работы с металлическими порошковыми и проволочными материалами. В нее вошли:

• Установка высокотемпературного селективного лазерного плавления для работы с жаропрочными материалами (АО «НПО «ЦНИИТМАШ»);
• Установка селективного лазерного спекания керамических материалов (АО «НИИ НПО «ЛУЧ»);
• Экспериментальная установка селективного лазерного плавления с возможностью управления структурой материала (АО «НИИ НПО «ЛУЧ»);
• Установка селективного электронно-лучевого плавления для работы с тугоплавкими материалами (АО «НИИ НПО «ЛУЧ»);
• Установка аддитивной плазменно-дуговой и электродуговой наплавки для изготовления крупногабаритных изделий (ФГАОУ ВО СПбПУ).

Аддитивное оборудование, которое разрабатывают в Росатоме, отличается не только российскими лазерно-оптическими системами, электронно-лучевыми источниками энергии и программно-аппаратной платформой. Одно из главных преимуществ — наличие систем контроля технологического процесса. На их основе сегодня создают интеллектуальную систему обратной связи, которая позволит изготавливать новые типы изделий «с первого раза». Это поможет оптимизировать весь процесс применения аддитивных технологий.

Всего к 2024 году разработают девять типов аддитивного оборудования. Они станут еще одним шагом на пути к главной цели каждого проекта ФП-4 КП РТТН — получению принципиально новых технологий изготовления изделий для атомной энергетики, а также машиностроительной, авиационной и ракетно-космической отраслей.

Подведем итоги. Малосерийные сложные изделия во времена субтрактивных технологий всегда были ахиллесовой пятой быстроразвивающихся — в научном отношении — отраслей. Штамповка, литье и прочая фрезеровка новых образцов резко увеличивали время, необходимое на их создание, и затягивали процесс внедрения новой техники. Сегодня все поменялось: аддитивные технологии, которые в последние годы успешно развиваются в том числе в России, позволяют достичь существенного прогресса в создании малых серий новых изделий. Причем без непомерных расходов и других сложностей, присущих «субтрактивной» эпохе.

Реклама. Частное учреждение «Центр коммуникаций». ERID: 87aadwa2Dwa