Что такое аддитивные технологии? Почему современные методы 3D-печати актуальны для медицины, промышленности и архитектуры? Из каких материалов печатают изделия для этих сфер? На эти вопросы ответил школьникам и студентам Саратова доцент кафедры физических проблем материаловедения НИЯУ «МИФИ» Иван Федотов в Информационном центре по атомной энергии (ИЦАЭ) Саратова.

Научный сотрудник Лаборатории аморфных и нанокристаллических сплавов кафедры физических проблем материаловедения приехал в Саратов в рамках федерального проекта «Энергия науки», чтобы рассказать о перспективном в «МИФИ» направлении – аддитивном производстве: «Аддитивные технологии сейчас бурно развиваются. В 2021 году Правительство России сформировало план по внедрению аддитивных технологий в производственный цикл страны. Планируется организация 160 центров аддитивного производства, при этом «Росатом» организует 10 из них. И сейчас необходимы специалисты, которые разбираются не только в 3D-печати, но и в материаловедении, керамиках, органической и неорганической химии».

Аддитивное производство – процесс изготовления изделия по данным цифровой модели методом послойного добавления материала (послойного синтеза).

Иван Федотов рассказал об этапах производства деталей на 3D-принтере, а также отметил их преимущества и недостатки в сравнении с традиционными способами производства. Среди сильных сторон он отметил отсутствие необходимости в пайке, сварке и склейке материалов, а также возможность снижения массы детали при сохранении прочности. Среди недостатков спикер выделил большие единовременные затраты на необходимое оборудование: «Наиболее экономически целесообразно использовать аддитивные технологии при изготовлении сложных деталей, если их количество невелико».

Технологии аддитивного производства подразделяют на 7 больших групп по методу физического и химического воздействия на строительный материал. Это фотополимеризация, экструзия материалов, струйное моделирование, нанесение связующего вещества, плавка порошков, плавка материала лазером (или электронно-лучевая плавка), ламинирование. «Каждая технология использует свой материал. Все машины используют полимеры, металлы, керамики, либо их композиции. Эти материалы могут быть жидкими, сыпучими, нитевидными или листовыми», — пояснил эксперт.

Иван Федотов рассказал о принципах работы отдельных способов, их достоинствах и недостатках. Лазерная стереолитография – печать с жидким фотополимером, который застывает после воздействия лазерного луча. Для ускорения скорости печати с фотополимерами лазерный луч можно заменить на цифровую светодиодную проекцию, которая засвечивает не конкретную точку, как лазер, а весь слой сразу. Стереолитография применяется в медицине (из гидроксоапатитов печатают костные имплантаты), в атомной отрасли (канадские учёные печатают прототипы ядерного топлива из диоксида тория) и в литейном производстве (для изготовления литейных форм).

Более экономным способом 3D-печати с использованием фотополимеров является струйное моделирование. Жидкий полимер наносится на изделие, затем засвечивается специальной лампой и застывает. Модификация этого способа – струйная 3D-печать с наночастицами. Его используют для биопечати: учёные из Польши уже напечатали прототип поджелудочной железы для поросёнка, который прижился за 2 недели. Струйной 3D-печатью создают и другие органы и ткани организма. Для такой биопечати используется специальный раствор на основе коллагена, гидрогеля и живых стволовых клеток.

Выделил Иван Федотов и метод печати с низкой стоимостью, доступный каждому – моделирование послойным наплавлением. Пластиковая леска подается в специальную камеру, где нагревается и вытекает на зону построения. Такой принтер можно приобрести самостоятельно. Для печати используются термопласты, в которые могут быть добавлены частицы металла или керамики. В основе могут быть разные виды пластика: PLA, ABS, PETG, PC, PVA, PMMA. От вида пластика зависит и применение напечатанного продукта – для деталей-прототипов кратковременного использования, для изделий с высокой нагрузкой, для пищевой промышленности, для химической посуды, для водорастворимых поддержек, для выжигаемых моделей.

«Примерно в 20% случаев 3D-печать используется для печати не прототипа, а уже готового изделия, – подвёл Иван Федотов слушателей к новому способу 3D-печати. – Для этого в печати используют порошки металлов и сплавов». Так печатают при селективном лазерном спекании и плавке электронным лучом. В зависимости от области применения выбирают конкретный сплав для печати. Разные виды сплавов используют для изделий в медицине, авиации, атомной энергетике.

Рассказал доцент «МИФИ» и о том, как печатают детали ракет с помощью лазерной наплавки.  Газ с порошковым материалом выдувается, и происходит сплавление лазером. Этим методом также ремонтируют изделия, восстанавливают износостойкие покрытия, выращивают материал на поверхности изделий. Однако этот способ печати достаточно медленный. Печать больших изделий с высокой скоростью обеспечивает плавление с помощью электронного луча. Но для этого метода 3D-печати важен вакуум.

«Аддитивные технологии сейчас значительно упрощают процесс получения конечного изделия, – резюмировал Иван Федотов. – При использовании аддитивных технологий значительно экономятся ресурсы – все материалы используются в производстве безотходно. Можно изготавливать объекты, практически не ограниченные по сложности. Соответственно, аддитивные технологии – будущее науки и техники, их внедрение значительно ускорит технический прогресс».

После лекции кандидат технических наук ответил на вопросы школьников и студентов. Слушателей заинтересовали возможности применения 3D-печати в строительстве и биопечати, а также перспективы развития аддитивного производства.

Проект «Энергия науки» создан ИЦАЭ, чтобы знакомить жителей регионов с новейшими научными открытиями и идеями. Лучшие популяризаторы, учёные и научные журналисты из разных регионов страны рассказывают о самых передовых экспериментах и теориях, открытиях и гипотезах. Идея проекта – дать возможность обычным людям, далёким от науки, задать вопрос и даже поспорить с учёными, чтобы наука перестала быть для них чем-то далёким и скучным, а приобрела конкретные очертания и лица.