Что объединяет живые клетки, синтетические полимеры, метеоритную пыль, металлические сплавы и морской коллаген? Эти и многие другие материалы используют для передовых разработок в аддитивных технологиях. Тестируя различные «чернила» и методы 3D-печати, ученые буквально «выращивают» новые изделия: от прочных деталей для промышленности до биосовместимых имплантатов. Чем отличаются термопласты от металлических порошков и филаментов? Можно ли напечатать на 3D-принтере съедобный бургер? Читайте в нашем материале.
Идеальный материал
Сплавы, филаменты, композиты — за этими понятиями скрывается большое разнообразие материалов для 3D‑печати. В первую очередь, «чернила» различают по составу и форме подачи. Например, термопласт — это тип материала, а филамент — пластиковая нить, в виде которой он поступает в установку. Металлы используют в виде порошков, проволок или прутков, а керамику в виде пасты.
Идеальный материал для трехмерной печати не обязан быть самым прочным или жаростойким. Важнее предсказуемость: он должен стабильно поступать в установку, формировать нужную структуру и придавать изделию нужные свойства, рассказывает руководитель направления проектного офиса по новым материалам и технологиям частного учреждения «Наука и инновации» Госкорпорации «Росатом» Александр Жедаев.
Делить материалы на «печатаемые» и «непечатаемые» не стоит. Зачастую проблема не в исходном продукте, а в том, что для него пока не подобраны оптимальные условия и источник энергии, считает ученый. Трудности могут возникать до печати: например, из некоторых труднодеформируемых сплавов сложно изготовить качественное изделие (одним из решений может быть подача прутка). Или в процессе: при электронно‑лучевом плавлении частицы порошка могут накапливать заряд и вызывать «дымление» (в установке НИИ НПО «ЛУЧ», входящего в научный дивизион «Росатома», эту проблему решили с помощью системы нейтрализации).
«Сложность может быть тепловой. Допустим, при работе с молибденом из-за больших температурных перепадов образуются напряжения и трещины. Для ряда изделий важны пластичность, свариваемость, стойкость к виброударным нагрузкам, характеристики хладноломкости и газовыделения. Поэтому для молибдена разработана технология электронно-лучевой аддитивной наплавки, позволяющая получать заготовки с необходимыми свойствами», — делится специалист.
Различают методы 3D-печати: по форме подачи материала, источнику энергии и способу формирования слоев. В одном случае порошок заранее распределяют по платформе, а в другом материал поступает непосредственно в зону формирования детали. Универсальной технологии нет. Выбор зависит от материала, размера, геометрии изделия и желаемых свойств, подчеркивает Александр Жедаев.
Легкие и прочные
3D-печать методом послойного наплавления — одна из самых простых методик, ставшая массовой благодаря своей доступности. Но для промышленного применения пластиковые изделия, которые получают таким способом, оказываются хрупкими, а их прочность, как правило, определяется прочностью полимера, используемого в качестве заготовки в виде прутка.
Чтобы сделать объекты легкими и прочными, в процессе печати их можно армировать углеродным волокном. Такой способ предложили в Центре НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н. Э. Баумана.
«В отличие от традиционных 3D‑принтеров, использующих полимерный пруток пластика диаметром 1,75 мм, в нашем устройстве применяется пруток меньшего диаметра, заранее армированный непрерывным углеродным волокном. Обычный принтер с ним не сможет работать: экструдеру необходим специальный механизм обрезки. Также нужен особый слайсер*», — поясняет научный сотрудник Центра НТИ МГТУ им. Н. Э. Баумана Семен Федоров.
Процесс выглядит так: при печати углеродная нить, пропитанная полимерной матрицей, проходит сквозь печатающую головку и послойно формирует деталь по рассчитанной траектории. Слайсер помогает задавать направление и угол укладки нити. Изделие приобретает управляемую анизотропию свойств: позволяет «настроить» прочность детали под конкретную нагрузку, укладывая углеродное волокно в нужных направлениях, объясняет ученый.
«Безусловно, есть интерес от промышленных предприятий, в основном из высокотехнологичной аэрокосмической отрасли. Технология создается по запросу квалифицированного заказчика. Внедрение на его площадке запланировано на конец 2027 года», — говорит эксперт.
Медное дело
Один из самых перспективных материалов для 3D‑печати — металлические порошки. На их основе создают детали со сложной внутренней структурой, которые невозможно изготовить традиционными методами (литьем и фрезеровкой). Например, компоненты двигателей для аэрокосмической промышленности или титановые имплантаты, повторяющие анатомические особенности пациента.Но далеко не все металлы легко поддаются печати. Например, медь. Из-за своей высокой отражательной способности в инфракрасном спектре (на длине волны, которую используют большинство стандартных волоконных лазеров) она поглощает менее 5% лазерной энергии. Это значит, что более 95% энергии отражается от поверхности и не плавит материал.
Инженеры Центра аддитивных технологий «Росатома» смогли решить эту проблему. Они использовали один их самых популярных методов аддитивного производства — селективное лазерное плавление*. Подобрали подходящие режимы печати, мощность лазера, скорость сканирования и другие параметры на серийных принтерах RusMelt 300M.
В качестве сырья использовали медный порошок марки М2 — частицы сферической формы, отличающиеся высокой чистотой и специальным гранулометрическим составом.
«Порошок наносится тонким слоем на рабочий стол, затем лазерный луч сканирует область, соответствующую сечению детали, расплавляя частицы. Все происходит в замкнутой камере с инертным газом: это не дает металлу окисляться. Далее стол опускается, и процесс повторяется слой за слоем. Напечатанные изделия извлекают из установки, очищают от остатков порошка, обрабатывают и отправляют в лабораторию, где их проверяют на наличие пор, трещин и других дефектов», — комментирует процесс Илья Кавелашвили.
Такой подход делает производство медных изделий эффективнее. Обычно, когда деталь вытачивают из заготовки, значительная часть дорогостоящего материала теряется. Здесь же объект буквально «выращивают», делая производство почти безотходным. Время на изготовление сокращается с нескольких недель до пары дней, иногда часов. Это позволяет печатать уникальные экземпляры, без запуска полномасштабного производства.
Новая технология пригодится для создания теплообменников в силовой электронике и дата-центрах, элементов камер сгорания и охлаждения в авиации и космосе, токопроводящих деталей для радиоэлектроники и энергетики.
«Параллельно мы занимаемся адаптацией наших установок для работы с зелеными лазерами. Это следующий этап, который в теории позволит улучшить свойства изделий и повысить стабильность процесса», — подчеркивает директор бизнес-направления «Аддитивные технологии» Топливного дивизиона «Росатом».
Металлическое стекло
Все вышеперечисленные материалы для 3D-печати имеют кристаллическую структуру: их атомы выстроены в решетку, задающую нужные свойства. Но если охладить металлический расплав с большой скоростью (до миллионов градусов Цельсия в секунду), атомы не успеют «собраться» в решетку и будут располагаться беспорядочно, подобно жидкостям или стеклу. Такие сплавы называют аморфными.
Недавно его научной группе совместно с коллегами из Сколтеха и Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН удалось разработать технологию 3D-печати изделий из аморфных сплавов циркония. Размер получившихся деталей составил более 2–3 сантиметров в одном измерении, в то время, как у большинства таких материалов критический размер не превышает сантиметра. Это открывает возможности для создания изделий больших размеров, в зависимости от назначения.
«Из‑за высокой скорости охлаждения большой объем металла не получается „заморозить“ в аморфном состоянии. Нам впервые в России удалось напечатать более крупные объекты, пригодные для практического применения: они могут стать элементами корпусов, в том числе демпфирующих (поглощающих колебания), узлами механических систем, изделиями для применения в космосе и медицине, например имплантатами или медицинскими инструментами», — отмечает руководитель проекта.
Аддитивная кухня
С металлами и полимерами разобрались, но как насчет еды? Аддитивные технологии добрались и до пищевой промышленности. Например, в Вятском государственном университете разработали технологию 3D-печати продуктов на основе растений. Ученые смешали выращенные клетки каллусной (неспециализированной) ткани люпина Lupinus angustifolius с пищевым загустителем каррагинаном. На основе получившейся смеси можно напечатать продукты с нужными текстурой, питательностью и вкусом, используя достоинства разных растений. Работа выполнена при поддержке РНФ и программы «Приоритет 2030».
Еще один пример аддитивной кулинарии — искусственное мясо. «Чернила» для его 3D-печати придумали в БФУ им. И. Канта. В качестве основного «ингредиента» использовали коллаген из биомассы медузы Aurelia aurita, распространенной в Балтийском море, и кожи судака Sander lucioperca. Получившийся продукт подходит многим людям с особенностями питания и аллергическими реакциями.
«Рецепт определяется желаемой вязкостью и может включать альгинаты, отвердители в форме пищевых солей, красители, вкусовые добавки. В „чернила“ вводятся клетки, которые планируется использовать для печати. Например, мышечной ткани куриц, лосося, креветок», — рассказывает старший научный сотрудник Лаборатории микробиологии и биотехнологий БФУ им. И. Канта Юлия Куликова.
На вкус напечатанный продукт похож на оригинал, но пока не совпадает с ним на 100%. Текстура тоже отличается — над этим в лаборатории сейчас продолжают работать. Калорийность такого «бифштекса» будет составлять около 250–350 ккал/100 грамм с содержанием белка 15–25 грамм, однако пищевую ценность можно смоделировать, отмечает эксперт.
Метеоритная пыль
«В космосе нужно учитывать вакуум, радиацию, резкие температурные циклы и абразивную пыль. Кроме того, сам процесс должен быть максимально автономным. Перспектива таких разработок прежде всего заключается в использовании местных ресурсов вместо доставки большого объема материала с Земли», — говорит специалист.
Конечно, это неполный список материалов, востребованных в области 3D-печати. Отдельного внимания заслуживают разработки в медицине, которые тестируют для печати органов и биосовместимых имплантатов. Подробнее об этом мы рассказывали здесь и здесь.
Перспективы аддитивных технологий можно оценивать с умеренным оптимизмом, считает Александр Жедаев. Главный показатель — не количество разработанных принтеров, а решенных производственных задач. Проекты должны давать понятный результат и отвечать на актуальные проблемы: сокращать срок изготовления, экономить материал, упрощать конструкцию или позволять ремонтировать дорогостоящее изделие.
«Речь не о том, чтобы заменить все производство 3D-печатью. Важно найти задачи, в которых она действительно дает преимущество, и встроить ее в технологический маршрут. Главная проблема уже не в том, чтобы один раз получить хорошую напечатанную деталь. Нужно доказать, что следующая будет такой же», — говорит эксперт.
Главный вызов для авторов передовых разработок сегодня: перейти от искусства настройки конкретной машины к доказательной, управляемой и воспроизводимой технологии.
Анна Шиховец
