Слой за слоем: почему нам не обойтись без 3D-печати

С каждым годом аддитивные технологии становятся все популярнее. В 2023 году 3D-печать востребована не только в промышленности, но и в строительстве, медицине и даже искусстве. Игорь Безукладников, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ, технический директор компании F2 innovations, рассказал про главные тренды отрасли, самый большой гранульный 3D-принтер России, строительство домов за несколько дней и печать съедобного десерта.

Из чего делают игрушки, автозапчасти и лодки: такие разные 3D-пластики

Выбор материалов для 3D-печати зависит от конкретных технологий и требуемых характеристик изделия. Самый распространенный материал — полимерный филамент (твердая нить). Расскажем о его наиболее популярных видах.

PLA ­– это биоразлагаемый и биосовместимый термопластик. Он состоит из возобновляемых ресурсов, таких, как кукуруза или сахарный тростник, и является одним из наиболее доступных материалов для домашних и промышленных 3D-принтеров. PLA имеет низкую температуру плавления, легко обрабатывается на 3D-принтерах с нагреваемой платформой и позволяет создавать объекты с тщательной детализацией в самых разных цветах. В основном он подходит для изготовления контейнеров, сувениров, наглядных макетов и игрушек. Из недостатков стоит отметить — хрупкость материала и недолгий срок службы изделий.

ABS ­– термопластичный полимер, обладает жесткостью, устойчив к воздействию многих химических веществ. Но при этом имеет низкую термостойкость и деформируется при высоких температурах. Такой материал подходит для печати чехлов телефонов, автозапчастей (бамперы, решетки радиаторов, колпаки), поддонов, канцелярских товаров и т.д.

PETG — это гибкий филамент с высокой прочностью, что делает его идеальным для создания объектов, которые будут подвергаться высоким нагрузкам. Подходит для печати пищевых контейнеров, спортивных бутылок, медицинского оборудования и даже лодок. Опытом печати водного судна поделился эксперт ПНИПУ.

TPU — это материал, который отличается износостойкостью и устойчивостью к щелочам, маслам и кислотам. Его часто используют в механике или химии. Например, из него делают спортивный инвентарь, запчасти к бытовой технике и автомобилям (прокладки, трубы, заглушки).

Печатаем смолой, керамикой… и даже едой  

Некоторые 3D-принтеры оснащены возможностью печати керамических изделий. Например, так делают зубные коронки, лицевые импланты, детали спутников и стержни для лопаток турбинных двигателей. Основу печати составляет специальная керамическая смесь, которая затвердевает и обжигается для получения окончательного изделия.

— Для стереолитографии (SLA) используют фотополимерные смолы. Это процесс аддитивного производства, когда во время печати слой за слоем под воздействием ультрафиолета смолы затвердевают. Изделия обладают такими свойствами, как прочность, гибкость или жесткость (в зависимости от настроек). На таком принтере можно создать ювелирные изделия или арт-объекты.

Один из таких примеров — скульптура «Цифровой гротеск», напечатанная из песка и смолы на 3D-принтере постмодернистским архитектором и программистом Мишелем Ансмейером совместно с его коллегой Бенджамином Дилленбургером, — рассказывает Игорь Безукладников.

Визуально «Цифровой гротеск» выглядит как искусное произведение, высеченное из камня вручную великим мастером. Над проектом работали два года, на печать деталей ушло 7 тонн песчаника. Все 3D-части собрали в одну композицию за два дня. Ее высота 3,5 метра, вес около 700 кг, в составе насчитывается 260 миллионов элементов — поверхностей, изгибов и выступов.

Существуют модели, которые печатают пищевыми продуктами. Для этого используют шоколад, сахар, тесто и другие ингредиенты. Одним из преимуществ 3D-печатных пищевых продуктов является учёт индивидуальных потребностей каждого человека. Например, люди с аллергией на определенные продукты могут заказать печать своего десерта, исключив аллергены. Становится возможным и создание продуктов с различными вкусами и текстурами, что может разнообразить рацион.

Дом за день: сколько занимает подготовка к печати и производство

На самом деле до того, как оператор нажмет кнопку «печать», происходит длительный этап подготовки. Сначала 3D-моделлер создает объёмную версию объекта в специальном приложении для проектировки. И обычно этот процесс самый долгосрочный и скрупулезный. Затем технолог подбирает необходимые параметры в зависимости от желаемого качества и размера модели — толщину слоя и скорость печати, от которых зависят технологические характеристики изделия и его стоимость. После этого в принтер загружают необходимый материал, и только тогда начинают печать изделия.

Время печати объектов может варьироваться от 10 минут до недели. В мировой практике на дома площадью от 32 до 280 м², напечатанные с помощью 3D-принтера, может уйти от одного до нескольких дней. А печать детали пуансон, используемой в пресс-формах для создания продуктов из пластмассы или резины, займет около недели. Это связанно с тем, что нужно настраивать определенную температуру и скорость печати.

Допечатались: об основных проблемах, которые возникают в процессе

Некачественная адгезия к печатной поверхности

Если изделие не прилипает к печатной поверхности или отклеивается, происходит деформация или сбой. Поэтому важно правильно настроить поверхность, регулировать температуру печати и использовать качественный адгезив (вещество, с помощью которого происходит соединение материалов путем поверхностного сцепления). В качестве адгезивов в 3D-печати используются специальные лаки или клеи.

Ошибки в геометрии изделия

Ошибки в геометрии модели приводят к некачественной печати, например, к провалу, перекрытию или деформации. Если мы говорим о промышленных объектах, то ответственность в разы возрастает. Чтобы предотвратить такую ситуацию, необходимо проверять изделие перед печатью с помощью программного обеспечения и исправлять возможные проблемы.

Некачественные расходные материалы

Материалы становятся непригодными для печати, если хранятся неправильно. Рекомендуется содержать их в сухом месте и складывать в герметичные вакуумные пакеты, поскольку на открытом воздухе есть риск попадания влаги. Если это произошло, то материалы просушивают перед использованием в промышленном осушителе или духовке.  

Неправильные настройки печати или человеческий фактор

Ошибки в настройках, например, неправильно выбранная температура или скорость, приводят к бракованным изделиям. Производители материалов и разных видов 3D-принтеров рекомендуют в обязательном порядке изучать «инструкцию по применению». При этом остается возможность для экспериментов с параметрами и настройками в зависимости от потребностей.

Российский промышленный 3D-гигант

Сегодня страна находится на пороге модернизации промышленности, остро стоит вопрос о быстрой и качественной замене импортных решений, а также ускорении производства с увеличением количества выпускаемой продукции.

Так, например, компания F2 в 2022 году собрала первый большой российский полимерный 3D-принтер F2 Gigantry. Он представляет собой открытый портал с экструдером — это часть, которая расплавляет полимер и, двигаясь по определенной траектории, выращивает модель слой за слоем. Он способен создавать детали до 4 метров в длину, 2 метров в ширину, 1 метра в высоту и даже больше. Технология печатает полимерными гранулами с производительностью до 10 килограммов в час, в том числе вторсырьем (переработанным гранулятом).

Крупные 3D-принтеры представляют интерес для предприятий оборонно-промышленной, авиакосмической, автомобильной, машиностроительной отраслей, а также институтов и исследовательских лабораторий для создания крупногабаритных пресс-форм, матриц и других деталей.

Тренды аддитивных технологий

Применение напечатанных деталей в качестве оснастки

Оснастка — это технологичная деталь, помощник процесса или «мост» для создания финальной версии детали. Она включает в себя комплекс инструментов и приспособлений для установки и закрепления заготовок и инструмента, их перемещения, обработки, выполнения сборочных операций при производстве. В технологическую оснастку входят модели, штампы, пресс-формы, режущие, измерительные и вспомогательные приборы. Например, особой популярностью пользуются оснастки для выкладки полимерного композитного материала или для вытяжки детали.  

Производство запасных частей

Благодаря снижению стоимости и увеличению производительности 3D-печать становится все более доступной для различных отраслей промышленности. Компании могут быстро изготавливать кастомизированные детали, ускоряя процессы производства и ремонта. Это сокращает время на поиск и доставку необходимых частей, особенно для старых и редких моделей.

Применение в медицине

3D-печать применяется при создании уникальных или специализированных изделий строго по индивидуальным исходным данным — ортопедических протезов, имплантатов и ортезов (изделия, заменяющие гипс и фиксирующие суставы при травмах).

Интеграция искусственного интеллекта в 3D-печать

Искусственный интеллект (ИИ) используется для оптимизации процесса печати. Это позволяет улучшить качество изделий, ускорить процесс проектирования и повысить качество печати. В авиационной отрасли с помощью ИИ 3D-принтеры могут создавать более точные детали для проектирования двигателей.

Фокус на устойчивое развитие

Аддитивные технологии стремятся к устойчивому развитию. При наличии 3D-принтеров в разных частях страны можно в пару кликов отправить цифровую модель, что полностью сокращает урон от доставки изделий транспортом. Вместо покупки нового изделия, можно изготовить сломанную деталь и вернуть механизму полную работоспособность. Широко применяется PLA — биоразлагаемый вид пластика. А другие пластиковые остатки измельчают и смешивают со свежими гранулами для повторного использования. Металлический 3D-принтер в среднем расходует 45 кВт, это меньше, чем у стандартных ламп накаливания (около 60-100 кВт).

Есть исследования, показывающие, что замена около 15% массы самолетов легкими деталями, созданными аддитивными технологиями из металлических сплавов, сократит выбросы углекислого газа на 92-215 миллионов метрических тонн к 2050 году из-за сокращения топлива на 6,4%.

3D и черта закона

Правовая система в этой области сильно отстает от темпов научно-технического прогресса. Как и в любой другой сфере, авторские права защищают оригинальные произведения, созданные в результате творческой деятельности — программное обеспечение для 3D-моделирования, алгоритмы обработки данных, и сами 3D-модели. Патенты могут быть выданы на новые технологии, материалы и способы использования 3D-печатных продуктов. А регистрация торговых марок помогает компаниям идентифицировать свою продукцию и предотвратить недобросовестную конкуренцию.

В некоторых странах уже существуют определенные законы и стандарты, регулирующие область аддитивных технологий. Так, например, по законам одного из штатов Австралии до 14 лет лишения свободы может грозить за хранение чертежей, по которым можно создать 3D-модель огнестрельного оружия.

В России с этим немного сложнее. Например, уже доказано, что из термопласта можно напечатать протез, который будет служить лучше, чем титановый. Но, к сожалению, эта технология не сертифицирована и не может применяться в реальных кейсах.

Что будет, когда начнется активное внедрение биопечати органов и тканей? В ближайшем будущем возможно появление новых методов и материалов, позволяющих создавать функциональные и жизнеспособные органы для трансплантации. Но закона, регулирующего эти процессы, нет.

Куда движемся дальше?

Эксперт ПНИПУ Игорь Безукладников добавляет, что эта отрасль со временем будет приобретать кардинальные изменения в материалах. Нет сомнений в том, что начнет развиваться многоматериальная печать. Возможно, в дальнейшем мы сможем печатать несколькими материалами сразу или сочетать их различные свойства в одном печатном процессе. Это откроет новые горизонты для создания сложных и функциональных изделий.

3D-принтеры будут более эффективными и конкурентоспособными в производстве и промышленности. Однако нельзя сказать, что аддитивные технологии полностью заменят традиционное производство, скорее, они будут работать вместе, ускоряя и улучшая процессы.