3D – движение, действие, достижение: как аддитивные технологии незаметно меняют производство, науку и жизнь

Сегодня 3D-технологии незаметно проникли во все сферы нашей жизни. Неровные фигурки из пластика с ребристыми краями остались далеко в прошлом. С помощью аддитивных технологий (послойного создания чего-либо) сегодня создают таблетки, металлические детали и даже мясо. А научные открытия в этом направлении совершаются регулярно. Технологии и зоны применения расширяются практически ежедневно. Уже печатают машины, дома и даже мосты.

Устаревшая информация

В сети можно найти статьи, авторы которых уверяют, что 3D-принтеры не способны работать с металлом… Но в Амстердаме уже напечатали первый в мире стальной мост.

В Петербурге технологии 3D-печати металлических изделий развивает группа ученых Политехнического университета Петра Великого. В погоне за увеличением скорости печати они сделали научное открытие.

Как печатают металлические изделия?

Уже привычная нам 3D-печать из пластика работает так: принтер плавит исходный материал и с помощью дозатора наносит жидкое вещество на изделие. Оно застывает. И так слой за слоем. Чтобы провернуть такой трюк с металлом, нужно придумать, как его расплавить и нанести. При этом не уничтожить принтер. Решение знает любой сварщик.

Сварка 2.0

Работа в лаборатории легких материалов и конструкций

Олег Панченко руководит лабораторией легких материалов и конструкций в Петербургском «Политехе». Тут развивают технологии наплавки. Их с 40-ых годов прошлого века применяют для изготовления готовых деталей. Если была нужна полая металлическая деталь, то ее создавали единственно возможным способом – вручную. Высококвалифицированный сварщик слой за слоем наращивал стенки изделия. Долго и очень сложно. Чем больше деталь и сложнее форма, тем меньше шансов на успех. Даже лучший работник не может производить движение с одинаковой скоростью и точностью.

Случайное открытие

Команда стремилась добиться максимально высокой скорости металлической печати. К процессу подключили физиков. Они предложили решение, которое раньше ученым и в голову не приходило. Объектом внимания стала электрическая дуга, которая плавит стальную проволоку в сварочном аппарате. Ученые изучили, как долго длится горение, направление протуберанцев и выбросов плазмы, как ток и напряжение влияют на скорость плавления метала. И в результате нашли способ перераспределять энергию под свои задачи. Добились сосредоточения максимума энергии в нужной точке. За счет этого ноу-хау современный сварочный аппарат стал в два раза мощнее.

Кузнецы счастья нового века

Чтобы узнать вторую, придется сначала совершить путешествие во времени на три тысячи лет назад. Тогда человечество освоило закалку металла. Древние кузнецы заметили, если железный объект раскалить, а потом резко остудить, например, в воде, то он станет тверже. Секрет обработки мечей и кинжалов был обнаружен в Азии в храмовой летописи, относящейся к IX веку до Н.Э.

«Нагреть до тех пор, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба. Сила раба, переходя в кинжал, и придает металлу твердость».

Со временем методы стали гуманнее, кузнецы поняли, что на свойства изделия влияет скорость охлаждения, а не жидкость, и уж точно, к облегчению молодых крепких рабов, не их сила и здоровье.

Опыт веков и промышленный робот

Вот и сварщики из «Политеха» в принтер загружали металл с одними физическими свойствами, а в результате получили немного другие.

«Мы обнаружили сверхпластичность у алюминиевого сплава. Мы получили ту же прочность, но при той же прочности удлинение материала до разрушения было в три раза больше. Это произошло потому, что мы попали в такой интервал скорости охлаждения материала, в который никто раньше не попадал. Материал, который обладает большей пластичностью, более устойчив к разрушению, он, как пластилин, будет долго растягиваться перед разрывом. И он более надежен в случае, если в нем есть мелкие дефекты. Проще говоря, если сделать из такого алюминия бампер для автомобиля, то при аварии он сможет поглотить в три раза больше энергии, чем обычный. А значит, вероятность, что пассажиры выживут, сильно увеличится», – рассказывает Олег Панченко.

По словам ученого, они уже сейчас могут программировать 3D-принтер так, чтобы из одного исходного материала он печатал изделие с участками, которые обладают различными механическими свойствами.

Жизнь в 3D

Сам себе 3D-принтер

Сегодня мы уже научились печатать пищу. Научно процесс описывается примерно так. Для создания еды используется экструзионная печать. Звучит сложно, но на самом деле любой из нас может сам стать 3D-принтером.

Как стать 3D-принтером? Инструкция:

1. Вооружаемся кондитерским шприцем
2. Наполняем его густым тестом
3. Выдавливаем слой теста на противень
4. Печем печенье
5. Добавляем еще слой теста
6. Печем двухслойное печенье
7. ГОТОВО! Вы 3D-принтер!

Все составляющие на лицо. Шприц – экструдер, руки – манипулятор, мозг – компьютер, который программирует движения. Принтер делает то же самое, но точнее и быстрее. Сегодня, как бы громко не звучало словосочетание «печать еды», возможности метода весьма ограничены. Это скорее полуфабрикат, нежели арбуз, выкатывающийся из принтера. Но, например, пекарни уже используют 3D-технологии. Они позволяют значительно ускорить процесс создания изделий со сложным дизайном и уменьшают количество брака. Роботы не ошибаются.

Печать людей

До этого еще далеко, но части наших тел уже давно печатают и весьма успешно. В медицине аддитивные технологии сейчас используются для создания протезов. В России первыми их начали осваивать в научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им Р.Р. Вредена.

«Основным преимуществом применения 3D-печати для производства эндопротезов является то, что с помощью нее можно изготавливать уникальные изделия, по форме точно соответствующие форме дефекта костной ткани пациента, а также имеющие заданное докторами специальное покрытие поверхностей контакта имплантата и кости, обеспечивающее остеоинтеграцию, то есть связь кости и металлической конструкции. Точно изготовленный имплантат и качественная остеоинтеграция – это многократное снижение рисков осложнений и повторного протезирования», – говорит руководитель направления «Прикладные исследования и разработки» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого Михаил Жмайло.

И пластиковое сердце застучит

Врачи обратились к биомеханикам со странной на первый взгляд просьбой. А могут ли они напечатать точный макет детского сердца со всеми физиологическими подробностями. Ученые создали программу, которая за несколько минут способна проанализировать снимки компьютерной томографии и спроектировать макет органа.

Полимерное напечатанное сердце

Стучать такое сердце, конечно, не будет. Но врачи перед сложной операцией могут на нем потренироваться. Разрезать, зашить, напечатать заново и попробовать снова

А где предел?

Далеки ли мы от того, чтобы напечатать живой человеческий орган, который заменил бы донорский. Последний громкий прорыв в сфере биопечати произошел по меркам быстроразвивающейся 3D-индустрии очень давно – семь лет назад. Ученые смогли воспроизвести на принтере щитовидную железу… мыши.

«Перспектива, конечно, есть, но надо понимать, что это очень сложная задача. Решение будет найдено, предпосылки и задел для этого есть, но напечатать орган человека – это все-таки не то же самое, что напечатать кронштейн, вазу или котлету для гамбургера», – считает Михаил Жмайло.

Напечатанный мир победил

3D-печать в любом ее виде это все еще сложный и дорогой процесс. И сегодня аддитивные технологии пока не могут заменить привычные средства производства. Но те исследования, которые проходят прямо сейчас, позволяют ускорить, упростить и удешевить процесс.

В Санкт-Петербургском политехническом институте Петра Великого ученые с гордостью показывают лопатку для вентилятора. Такие гоняют воздух по шахтам бетонного завода.

Олег Панченко демонстрирует напечатанную деталь. Это не демонстрационная модель, а реальный заказ. Предприятию нужны были детали сложной формы. Сталелитейный завод брал заказ от 100 штук. Сложный производственный процесс растягивался на месяцы. На принтере оказалось дешевле и быстрее. В будущем заказчики смогут сразу запрашивать изделия из металла с нужными им качествами. И вскоре, говорит Олег Панченко, принтеры станут неотъемлемой частью нашей жизни. Привезли аппарат на берег реки, нажали на кнопку печати, и через час перешли по мосту на другую сторону.