Аддитивные технологии: от промышленности до бытового применения
За десять лет технологии 3D-печати превратились из увлечения хобби-энтузиастов в инструмент бизнеса с миллиардными оборотами и высокотехнологичных индустрий. Аддитивные технологии - это совокупность технологий, которые создают 3D-объект, добавляя материал способом "слой-на-слой". Таким способом изготавливаются объекты из металла, пластика, бетона и даже человеческой кожи.
Аддитивные технологии без преувеличения считают инновационным прорывом, новым мировым трендом. В последние годы многие отрасли промышленности в полной мере оценили преимущества аддитивных технологий и эффективно внедряют их в производственный процесс. Все больше предприятий по всему миру, занятых в аэрокосмическом, автомобильном, машиностроительном, нефтегазовом секторах, в медицине и ювелирном деле, извлекают выгоду из поразительных возможностей, которые открывают новые перспективные методы.
По данным аналитиков аудиторско-консалтинговой группы «Деловой профиль», мировой рынок аддитивных технологий (АТ) в 2024 году достиг $25,7 млрд. К 2030-му он может превысить $110 млрд. Рост рынка аддитивных технологий на 23% в год обусловлен их проникновением в высокотехнологичные отрасли, где критичны легкие конструкции, уникальные штучные решения и сложные детали: авиакосмическую, медицинскую, автомобильную и энергетическую.
Лидерами отрасли остаются США и Европа. В США основными драйверами спроса являются аэрокосмическая и оборонная отрасли, где используются легкие и прочные титановые и алюминиевые конструкциии. В медицине лидируют европейские компании: в Германии и Нидерландах развивают биосовместимые полимеры.
В России сформировалась отрасль производства специализированного оборудования, полагает Кудряшов. Имеются отечественные принтеры Total Z, 3DLAM, Onsint, «Стереотек», а также отечественные материалы: металлические порошки «Центротех», «Полема», «Гранком» и фотополимеры HARZ Labs. По оценке Strategy Partners, доля российских производителей на внутреннем рынке выросла с 54% в 2022 году до 70% в 2023 году.
Аддитивное производство - это одна из тех технологий, которые уже сегодня трансформируют промышленность, медицину и даже быт, считает директор бизнес-направления «Аддитивные технологии» госкорпорации «Росатом» Илья Кавелашвили.
Применение аддитивных технологий в различных отраслях
3D-технологии становятся все более актуальными и активно применяются в авиационной промышленности в тех случаях, когда традиционные методы оказываются менее быстрыми и эффективными либо вообще не применимы. Экспозиция МАКС-2019 свидетельствует, что ассортимент деталей, создаваемых по SLM-технологии, становится шире. 3D-печать металлическими порошками активно используется в аэрокосмической отрасли для изготовления прототипов, деталей двигателей, оснастки, производстве спутников. Ее применение позволяет производителю удешевить продукцию, повысить ее эксплуатационные характеристики, а также значительно сократить время изготовления отдельных изделий.
Кроме того, собственные наработки в области аддитивных технологий есть, например, в Объединенной авиастроительной корпорации (входит в «Ростех»). 3D-печать используется при изготовлении различной оснастки, с ее помощью ведется изготовление обтяжных пуансонов (технологический элемент производства) для деталей самолетов Ил-76 и Ту-214, рассказал представитель «Ростеха». Также уже прошли испытания несколько десятков деталей планера самолета, в основном из алюминия.
Осваивает аддитивные технологии и ВСМПО-АВИСМА - крупнейший в мире производитель титана и авиационных компонентов из него. Сейчас в цеху аддитивных технологий этого предприятия работает два роботизированных станка: один из Австрии, второй сделан в Санкт-Петербурге. Австрийский печатает проволокой, питерский напыляет титановый порошок, который спекается лазером. В планах предприятия нарастить парк до 30 станков - настолько эффективны они оказались в деле.
Как рассказал «Эксперту» директор по инновациям и развитию ВСМПО-АВИСМА Денис Степанов, при производстве, скажем, колеса для газотурбинного двигателя традиционным способом до 96% веса заготовки попадает в отходы, а при 3D-печати отходы составляют не более 2% используемого порошка. Также кратно сокращается и срок производства детали.
Судостроение - отрасль, которую принято считать консервативной, однако и она неизбежно вступает в мир 3D. Аддитивные технологии позволяют снизить себестоимость продукта, уменьшить расходы, сэкономить время производства и, в конечном итоге, увеличить доходы предприятия. Владельцы бизнеса, технологи, конструкторы, инженеры-судостроители осознают, что многие традиционные методы устарели и препятствуют воплощению передовых проектов. 3D-технологии диктуют потребность в кардинальных переменах, которые заставят пересмотреть существующие стандарты, нормативы, требования к безопасности и экологии.
Что касается 3D-печати, то она способна произвести в судостроении настоящую революцию. Сейчас на 3D-принтерах печатаются небольшие детали, прототипы, выполняется ремонт деталей. В перспективе они смогут решить такую насущную проблему, как транспортировка и хранение запчастей. Неисправную деталь можно будет просто отсканировать и напечатать прямо на борту корабля, а материалы для печати будут храниться на судне в компактном виде.
На сегодняшний день промышленные предприятия активно применяют 3D-печать для производства пластиковых и металлических изделий, говорит сооснователь пермского «Промобота» Олег Кивокурцев. «„Промобот“ использует пластиковые печатные детали на этапе прототипирования. Это позволяет нам убедиться в правильности геометрии, эргономики и других характеристик детали. 3D-печать металлом находит свое применение в тех случаях, когда физические свойства и геометрия детали не позволяют использовать традиционные методы металлообработки, говорит Олег Кивокурцев. «В таких ситуациях 3D-печать (например, напыление или наплавление) может создать практически любую геометрию. Однако в большинстве случаев 3D-печать уступает традиционным методам как по скорости, так и по стоимости производства. Простые детали, такие как шестерни, гораздо выгоднее изготавливать на станках с ЧПУ, чем с помощью 3D-печати.
«Нет смысла печатать болты на 3D-принтерах - их изготавливают методами горячей и холодной высадки, что экономически выгодно в условиях больших объемов производства. А вот печатать технически сложные изделия, которые сегодня делают с помощью множества трудоемких операций, в том числе сборочных, намного выгоднее и эффективнее. Пример - изготовление губы воздухозаборника для учебнопилотажного самолета. «В традиционном производстве оно состоит из нескольких технологических процессов: холодной штамповки, подготовки к пайке и непосредственно самой пайки. При этом деталь должна соответствовать высоким требованиям аэродинамики и прочности. Уже на этапе подготовки штампованных изделий к пайке появляется много брака, плюс сам процесс пайки длительный и сложный. В ЦАТе „Росатома“ мы печатаем такую деталь за 16 часов.
Сегодня технология постепенно выходит и на новые рынки - серийное производство полноценных деталей и товаров, включая сложные изделия, которые трудно или дорого делать традиционными методами, говорит Кудряшов.
Аддитивные технологии в медицине
По данным отчета Wohlers Report, сфера здравоохранения занимает 11,3% мирового рынка аддитивного производства. Согласно исследованию Precedence Research, глобальный рынок 3D-печати медицинских устройств оценивается примерно в 5,6 млрд долл. в 2025 г. и должен вырасти до 24,7 млрд долл.
Один из ключевых факторов в медицине - точность, ведь малейшая ошибка в расчетах может иметь фатальные последствия. «Можно сделать индивидуальный протез для каждого конкретного пациента, - говорит Павел Вопиловский, Директор НТК «Машиностроительные технологии» СПбПУ Петра Великого, - это наиболее значимый фактор в использовании именно этой технологии (3D-печати - ред.) для медицины.
С помощью 3D-сканера можно за считанные минуты получить точную трехмерную модель нужного объекта (кости, стоматологического слепка и т.д.), затем обработать полученные данные в специальном программном обеспечении и напечатать модель или готовое изделие на 3D-принтере, либо изготовить его традиционным способом. При этом отпадает необходимость хранить слепки и образцы - все 3D-модели сохраняются в цифровом архиве. Создание точных 3D-моделей костей, частей тела, тканей или органов позволяет провести наглядную демонстрацию патологий в масштабе 1:1. Врач может точно оценить размер патологии и расположение прилегающих тканей перед началом операции. Детализированная модель, напечатанная на 3D-принтере, и ее анатомически оптимальное положение помогают хирургу при сверке на всех ключевых этапах операции. Изменение напечатанных анатомических моделей в соответствии с фактическим состоянием органов - один из важнейших методов применения аддитивных технологий.
Трехмерная печать металлами позволяет создать изделие с заданной сложной геометрией, идеально подходящее конкретному пациенту. Использование из металлических сплавов (в первую очередь - титановых) используется при протезировании костей челюстно-лицевой области, межпозвоночных дисков, ключиц, коленных суставов, лопаток, тазобедренных костей.
43-летний мужчина обратился в отделение с тяжелым дефектом левой средней зоны лица, который он получил 6 годами ранее в результате автомобильной аварии. Поврежденная кость была восстановлена с помощью индивидуального титанового имплантата, напечатанного на аддитивной установке SLM Solutions. Спроектированный на компьютере имплантат обладал идеальной геометрией, а операция по его установке прошла именно так, как было запланировано.
Команде исследователей из Chabloz Orthopédie (Франция) удалось создать уникальный и по-настоящему революционный протез. Компания работала с Дени Готье, у которого было ампутировано предплечье. Сначала специалисты провели 3D-сканирование здоровой руки пациента с помощью сканера peel 3d, чтобы получить ее зеркальное отображение. Далее команда приступила к проектированию CAD-модели и разработке миоэлектрического протеза. Аккумуляторы, кабели датчиков и искусственная кисть были интегрированы с изготовленным предплечьем. Сам протез был разработан в САПР и напечатан на 3D-принтере. Для воссоздания различных компонентов предплечья использовалась технология HP Jet Fusion. Использование трехмерного сканирования и печати гарантирует не только правильную посадку приспособления, но и дает полную свободу движений.
Институт травматологии и ортопедии им. Р.Р. Вредена совместно с ЛЭТИ (Санкт-Петербург) провели работу по созданию протеза тазобедренного сустава из титана. На основе КТ был создан пластиковый макет кости. Следующий этап - проектирование имплантата и корректировки по его позиционированию на кость. Затем, после того как врачи провели планирование операции на макете, протез был напечатан на 3D-принтере.
В 2018 году британские ученые впервые смогли напечатать роговицу на 3D принтере. Теперь они могут использовать объёмную печать при изготовлении роговицы глаза из стромальных клеток. Они также создали специальные биочернила, которые состоят их клеток стромы роговицы живого донора. Также в состав входит коллаген и альгинаты. Белок составляет основу.
Важнейшую роль для полноценной эмболизации внутричерепной аневризмы играют устойчивое положение микрокатетера и его оптимальная форма. С помощью 3D-принтера можно напечатать модели кровеносного сосуда и аневризмы, которые помогут хирургу лучше понять анатомическую структуру.
Традиционно для планирования остеотомии используются рентгеновские снимки. Однако на двухмерных снимках не отражается фактическое состояние костей. В связи с этим 60% операций не дают положительный результат. Решить данную проблему помогут шаблоны, напечатанные компанией Materialise.
Наряду с совершенствованием аддитивного оборудования ведется активная работа по созданию новых материалов для медицинских целей.
В 2019 году израильские ученые впервые создали на 3D-принтере человеческое сердце с кровеносными сосудами и клеткам. Сделано оно было в миниатюре, но, по словам исследователей, для печати сердца обычного размера может быть использована та же самая технология.
Направление современной медицины, с которым связывают прорыв в лечении болезней и патологий в обозримом будущем, - трехмерная печать тканей, кровеносных сосудов и органов, или 3D-биопринтинг.
Аддитивные технологии в строительстве
Аддитивные технологии, позволяющие синтезировать различные по сложности объемные объекты, становятся все более востребованными в самых разных отраслях, в том числе в строительстве. За последние четыре года в этой сфере произошел настоящий прорыв, люди научились печатать на 3D-принтерах сначала отдельные стены, потом гаражи и малоэтажные здания, а затем и более масштабные проекты.
Стремительное развитие в области 3D-печати бетоном началось в 2014 году, когда шанхайская компания WinSun построила таким образом десять малоэтажных домов всего за 24 часа, а затем напечатала и пятиэтажное здание.
Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки. На сегодняшний день речь не идет о полном переходе на аддитивные технологии, пока они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла.
Аддитивные технологии в быту
Даже в быту, при наличии определенных навыков и подходящего 3d-принтера, любой человек может существенно упростить себе жизнь и избежать расходов своего личного бюджета. Представьте, у вас сломалась деталь замка микроволновой печи. Маленький пластиковый элемент, стоимость которого при массовом производстве несколько десятков копеек. Однако найти запасную часть практически невозможно. При этом не всегда специализированные сервисные центры имеют возможность эту деталь заменить по причине снятия модели с производства. Получается, у вас есть только один выход - покупать новую микроволновую печь. Но постойте, при наличии принтера и навыков построения 3d-объектов, вы за пару часов, прямо у себя дома, сможете изготовить необходимую вам деталь.
Не исключено, что со временем ответственные производители будут выкладывать в открытый доступ в сети Интернет 3d-модели самых часто ломающихся деталей. Таким образом изготавливают статуэтки, оригинальные светильники и даже мебель. Особо выделяется возможность создания оригинальной бижутерии, украшений и аксессуаров.
В области создания креативной одежды и обуви технология позволяет реализовать проект любой степени сложности, и уже высоко оценена стилистами и дизайнерами. Самая оригинальная и необычная идея может быть реализована в короткие сроки.
Основные методы аддитивного производства
Существует несколько технологий пластиковой печати, в том числе моделирование методом послойного наплавления (FDM), лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).
I. Метод послойного наплавления (FDM) - технология аддитивного производства моделей, протоптипов и готовых изделий из различных полимеров. Печать происходит за счёт экструзии быстрозат-вердевающего материала в виде тонких струй либо в виде микрокапель. выдавливанием жидкой массы через печатающее сопло, экструдер движется по траектории, соответствующей контурам изделия, что формирует единичный слой. Для печати используют различные полимеры: акрилонитрилбутадиенстирол (ABS-пластик), полилактид (PLA), поликарбонат (PC), нейлон(№у1оп), поливинилацетат(PVA), полиэтилен высокого давления (HDPE), полифениленсульфон (PPSU), полиэтилен-терефталат, модифицированный гликолем (PETG), смеси поликарбоната и ABS-пластика, гибкие полимерные композиции (FLEX) и др. Из преимуществ данной технологии можно отметить использование в качестве расходных материалов относительно недорогих термопластиков и композитов. Разнообразие материалов для печати предоставляет широкий выбор между определенными прочностными и температурными характеристиками создаваемого объекта. Недостатком метода является ограничение по сложности геометрических форм изготовляемых объектов, ввиду чего для их печати необходимо обязательное применение специальных структур-опор.
В настоящее время FDM-технология нашла широкое применение в стоматологии.
II. Фотополимеризация протекает под воздействием облучения УФ-лазером или иным источником излучения, в точках соприкосновения луча лазера и полимера происходит его полимеризация и формирование твёрдых физических объектов. После фотополимеризации предыдущего слоя рабочая платформа погружается в ёмкость с жидкой смолой на расстояние, соответствующее толщине следующего печатного слоя. Далее поверхность нанесённого жидкого фотополимера выравнивается и процесс печати повторяется. Из преимуществ технологии можно отметить высокую точность и скорость печати, возможность создания объектов большой геометрической сложности и размеров, простоту в обработке изготовленных изделий, а также низкий уровень шума в процессе печати.
Цифровая светодиодная проекция (DLP) - метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, альтернативный стереолитографии. SLA, как и DLP-технологии, нашли своё применение в челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии. 3D-модели костей, коронок, зубных имплантатов и пр.
III. EBM-печать происходит в вакуумной камере, в которую подаётся необходимое для печати одного слоя изделия количество материала. Расходным материалом, используемым в EBM-печати, является металлический порошок (например, титан или его сплавы). После разравнивания слоя специальным валиком и удаления излишков порошка происходит сплавление отдельных участков материала с помощью пучка электронов по контуру, тем самым формирется один из слоёв модели. Далее слой опускается вниз на высоту, равную высоте следующего слоя, цикл повторяется необходимое для окончания печати модели количество раз. Из преимуществ данной технологии можно отметить относительно высокую точность печати, обусловленную применением «магнитных зеркал», корректирующих траекторию пучка электронов, а также высокую производительность и возможность изготовления сразу нескольких моделей за один цикл печати, отсутствие необходимости в постобработке готовых изделий. Благодаря применению вакуума в процессе печати возможна работа с легкоокисляющи-мися металлами.
Технология выборочного теплового спекания близка к выборочному лазерному спеканию (SLS). Отличие заключается в использовании тепловой печатающей головки (источником излучения является галогеновая или специальная ИК-лампа) вместо лазерной.
IV. Лист расходного материала с клеевым слоем наносится на рабочую поверхность, далее лазер вырезает контур печатаемого слоя объекта. Лишний материал режется на секции для простоты удаления. Платформа с заготовкой опускается вниз; цикл повторяется необходимое количество раз. Технология LOM нашла применение для создания прототипов костей, органов, протезов и пр., модели которых получены в результате исследований организма методами МРТ, КТВР и др.
V. Струйная трехмерная печать (3DP) -метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, в котором на порошок, наносимый последовательно тонким слоем на рабочую поверхность с помощью печатающей головки, наносится связующий материал, благодаря чему частицы склеиваются между собой и образуют слой будущей 3D-модели. Преимуществами технологии являются высокая скорость печати, возможность получения изделий сложной геометрической формы при отсутствии необходимости в построении опорных структур, относительно невысокая стоимость расходных материалов, возможность добавления в процессе печати красителей, уплотнителей и пр.
Перспективы развития аддитивных технологий
Не смотря на успехи и преимущества, 3d-печать пока находится в процессе освоения. В ближайшие 5-10 лет технология будет внедряться массово. С одной стороны, если вам нужно уникальное изделие, или всего несколько экземпляров, то 3d-печать незаменима и существенно сократит время изготовления и стоимость. Для того, чтобы аддитивные технологии стали по-настоящему массовыми, требуется удешевление материалов.
Во всем мире процесс развития аддитивных технологий находится на этапе становления. В России есть хороший потенциал в этой области.
В июле 2021 года правительство РФ утвердило «Стратегию развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года». Согласно документу, в России к 2030 году будет создано около 180 центров аддитивных технологий, из них около 10 создаст госкорпорация «Росатом». Но существуют и более консервативные оценки. Например, «Деловой профиль» оценивает рынок в 2024 году в 6-7 млрд руб., при этом отмечает, что до 2030 года он может расти на 20% ежегодно. По данным «Делового профиля», на начало 2024 года российский рынок аддитивных технологий насчитывал более 150 предприятий, из которых около 60 специализируются на печати металлом.