05/12/2015 Новости СО РАН
3D-печать: новые технологии формируют новые производства
1099 СО РАН Инновации Физика Томск Когда-то возможность распечатать предмет на принтере, подобно бумажному документу, была лишь в фантастических фильмах наравне с беспроводной гарнитурой и дверьми, которые сами раздвигаются при приближении человека. К настоящему времени технический прогресс воплотил и эту фантазию — на современных промышленных 3D-принтерах распечатывают сложные детали, украшения, игрушки и целые жилые дома.
В России так называемые аддитивные технологии только начинают развиваться на базе научных лабораторий и наноцентров. Корреспондент Сиб.фм узнал у разработчиков и участников рынка 3D-печати в Сибири, каковы преимущества этого метода создания оборудования и когда распечатать любую вещь, которая придет вам в голову, можно будет на каждом углу.
Просто добавь
3D-печать относится к так называемым аддитивным технологиям, когда построение модели происходит путем добавления новых слоев материала. В этом главное их отличие от субтрактивных технологий, общий принцип которых выражен в афоризме Микеланджело "Беру мрамор и отсекаю все лишнее".
На вопрос "Как вы делаете свои скульптуры?" Буонарроти ответил "Беру камень и отсекаю все лишнее"
Технологически близкий 3D-печати метод — наплавка — разрабатывался в научно-исследовательских институтах СССР еще с 80-х годов XX века. Наплавка — это нанесение расплавленного металла на металлическую поверхность с последующей его кристаллизацией. В результате получается слой с заданными свойствами.
"Между двумя технологиями есть качественный скачок. Наплавка подразумевала материал подложки, на который и наносили упрочняющее покрытие. При 3D-печати подложку удаляют, так как важны только сами дополнительные слои", — говорит директор Центра аддитивных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) Василий Федоров.
В 3D-печати используются специальные порошки — синтетические или металлические. От воздействия лазера такой порошок спекается, образуя твердый прочный слой.
К настоящему моменту, по мнению директора наноцентра "Сигма.Томск" Олега Лысака, пакет аддитивных технологий уже сформирован. Сюда относятся различные виды лазерного спекания и сплавления, например, лазерного и электронно-лучевого. 3 дня — нужно на печать средних размеров модели на 3D-принтере
"Сейчас вопрос не о прорывных технологиях, а об их усовершенствовании и работе в двух направлениях. Первое — это создание градиентных материалов. Если говорить про металлы — это совмещение магнитных и немагнитных, проводящих и непроводящих элементов в рамках одних конструкций. А также удешевление самого процесса печати и уменьшения габаритов, поскольку это позволит кардинально снизить стоимость самой печати", — считает Лысак.
Кроме промышленных, существуют и принтеры, печатающие пластиковыми порошками. Они годятся для всевозможных потребительских товаров.
"Когда мы печатаем на обычном чернильном принтере, мы запускаем на печать "вордовский" файл. При печати на 3D-принтере нужен точно такой же файл, только в другом формате. Делается он, например, в 3D-Max. Если вы хотите создать печатную модель, ее нужно отсканировать, файл загружается в компьютер, там он доделывается, убираются все ошибки, и только потом его можно отправить на печать", — рассказывает менеджер по маркетингу компании Prototypster Кристина Мельникова.
3D-принтер — это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели
В Сибири всего один центр, где аддитивные технологии изучают на уровне фундаментальной науки — это Институт физики прочности и материаловедения СО РАН в Томске. Здесь разрабатывают основы технологий упрочнения и поверхностной обработки материалов при помощи всевозможных покрытий, напылений и пленок, в том числе, наноструктурных. Подобные работы ведутся в также в Санкт-Петербургском политехническом университете. Более прикладными разработками — в области порошков для печати — занимается Центр аддитивных технологий Томского политеха.
"Мы берем различные порошки, применяем разные мощности лазера и смотрим, как образуются слои, как они сплавляются между собой. После этого строим математическую модель, проектируем, анализируем параметры — какая мощность лазера нужна, какова должна быть скорость разверстки и так далее", — говорит Василий Федоров.
Центр был создан в марте 2015 года. Он занимается разработкой наукоемкого оборудования и неразрушающим контролем технических объектов, а в сентябре здесь откроется магистерская программа совместно со "Сколтехом" и Массачусетским технологическим институтом. Программа будет готовить инженеров-материаловедов — специалистов по современным эффективным методам получения деталей.
Стоимость исследований по разработке самих 3D-принтеров достигает миллионов долларов, и Сибири такие разработки пока не по карману. Но есть возможность выводить уже имеющиеся разработки на рынок. Этим занимаются наноцентры.
Специалисты бельгийской компании Biomedics имплантировали распечатанную на 3D-принтере титановую челюсть 83-летней пациентке
Ряд технологий по печати металла и пластика крупные мировые компании уже вывели на рынок, и по этим технологиям есть стандартные решения, которые можно купить. "Мы специально ориентируемся на стандартные технологические приемы и технологии, чтобы понять, как они работают, и оценить их внедрение в производство", — говорит Олег Лысак.
У томского наноцентра "Сигма.Томск" есть несколько приоритетных направлений. Одно из них — технологии проектирования изделий под использование аддитивных технологий. Для этого на базе центра создана специальная инжиниринговая компания. Несколько разработок планируется вывести на рынок в ближайшее время. Это проект культеприемной гильзы и механических и бионических протезов, которые печатаются на 3D-принтере.
Есть проект, который прорабатывается, по производству индивидуализированных эндопротезов. Думаю, горизонт до полутора лет. И есть проекты, по которым бюджеты еще только утверждаются. Но и у них горизонт — год-полтора", — сообщает Лысак.
Аддитивные технологии внедрены в серийное производство в двух основных сферах: медицине и авиационном двигателестроении. В мире существуют по крайней мере четыре компании, такие как Lima, производящие эндопротезы: колени, бедра, челюсти и суставов, десятки тысяч экземпляров в год. Но в России таких компаний нет.
"Один из наших перспективных стартапов — производство таких эндопротезов. Планируем развивать его в Новосибирске. Аддитивные технологии позволяют изготавливать протезы по МРТ-снимкам в единичном экземпляре. До появления неметаллических изделий это было вообще невозможно", — рассказывает Олег Лысак.
В этой отрасли, по его словам, аддитивные технологии наиболее распространены и понятно направление, в котором надо расширяться. "В остальных отраслях наиболее перспективно, наверное, автомобилестроение. Также — производство медицинских приборов и вообще приборостроение. На мой взгляд, третий вариант — это лазерная техника. Конечно, если брать промышленное производство", — считает Лысак.
К вещам, изготовленным методом 3D-печати, можно применить free-design, то есть, свободно проектировать изделие исходя из его функций, а не возможностей производства. Второе очевидное преимущество — высокая эффективность использования материала.
Первая в мире модель корпуса Nokia Lumia 820 была отпечатана мастерами 3D-печати, в компании Makerbot
"Есть такое понятие как соотношение материала в заготовке и в использовании. В современных технологиях, если берем фрезерование, это, условно говоря, один к десяти. То есть, 10% используется в конечном изделии, а все остальное уходит в отходы. В аддитивных технологиях этот коэффициент может достигать единицы — весь материал, который ты использовал для производства, получается в изделии", — рассказывает директор "Сигмы.Томск".
При таких преимуществах потребность российского рынка в аддитивных технологиях далеко не так очевидна. Стоимость машины для металлической 3D-печати — около миллиона евро. Требования к персоналу и площадке, в целом, не отличаются от требований в других производствах, однако вся проблема в порошках. Все они импортные, и каждый тип машин настроен только на определенный вид порошков. Сейчас обсуждается вопрос для использования на иностранных машинах российских порошков, и их стоимость постепенно снижается — каждый год на 10-15%.
"Вопрос высокой стоимости оборудования есть, но, на мой взгляд, основная проблема — непонимание, как полностью использовать все возможности аддитивных технологий. И еще — напечатанные вещи требуют постобработки, и это усложняет процесс производства", — считает Олег Лысак.
По мнению Кристины Мельниковой, PR-менеджера компании Prototypster, специализирующейся на печати изделий на 3D-принтере, у этого метода есть преимущество, когда необходимо изготовить индивидуальную вещь, адаптированную под конкретного пользователя. Если же требуется серийное производство, то классический метод изготовления по-прежнему вне конкуренции.
В Великобритании нелегальны производство, продажа, приобретение и владение оружием, напечатанным на 3D-принтере
Фирмы, занимающиеся коммерческой 3D-печатью, и научные центры постепенно находят точки взаимодействия в аддитивных технологиях. К примеру, ТПУ планирует сотрудничать с новосибирским Центром аддитивных технологий. Сейчас в университете только отрабатывают технологические режимы. Большой интерес к 3D-печати проявляют ювелирные компании — ведь в украшениях индивидуальность — чуть ли не самый важный параметр.
Тем не менее, по мнению директора томского наноцентра, в Сибири аддитивные технологии находится в зачаточном состоянии.
"Проблема, во-первых, кому это нужно. Во-вторых, какие нужны параметры, чтобы создавать такие материалы. Все упирается в порошки — пока они производятся только за рубежом. Это как в экономике разница между спросом и покупательной способностью. Потребность вроде всем видна, но как ее реализовать в спросе — непонятно. Ясно, что можно это использовать, но требуется отработка отдельных кейсов применения. И каждый кейс расширяет наше понимание этих возможностей", — считает Лысак. До эпохи повсеместного распространения 3D-принтеров, по его мнению, еще далеко.
"Думаю, аддитивные технологии не заменят конвенционные, но вступят с ними в партнерство в тех местах, где это будет нужно", — говорит он, — "Сложных технологий металлической печати в каждом доме не будет никогда. А пластиковые 3D-принтеры — они как обычные: раньше каждый покупал их себе домой, а потом люди поняли, что выгоднее ходить в копицентры. Каждому дому такое просто не нужно. Думаю, активное внедрение — это горизонт трех-пяти лет. И нам скорее хорошо. В России структура промышленности такая, что мы можем перешагнуть одно обновление производства и сразу переходить на новые методы".
Аддитивные технологии — это принципиально новая философия изготовления детали. Если раньше технология изготовления была зависима от размеров, массы и других параметров, то 3D-печать позволяет создавать любую, самую фантастическую форму, которая придет вам на ум.
По мнению экспертов, новые технологии формируют и новые производства — так называемые гибкие производственные ячейки, то есть, полностью автоматизированные цехи без людей. Туда можно будет прийти с проектом, и получить на выходе готовое изделие.