Что такое аддитивные технологии и где они применяются

Возвести жилой дом за сутки, облегчить детали самолетов, напечатать лекарства — все это возможно благодаря аддитивному производству. Рассказываем главное о сфере и ее развитии в мире и за рубежом.

Что такое аддитивные технологии 

Понятие отсылает нас к латинскому additivus — «прибавляемый» и английскому add — «добавлять». Оба слова объясняют термин: аддитивная технология — это создание объектов с помощью послойного, постепенного добавления материала. Еще такой процесс называют «выращиванием».

Термин «аддитивные технологии» (additive manufacturing) распространился и стал широко использоваться в англоязычной литературе после закрепления в стандарте ASTM F2792 в 2009 году. В 2017-м понятия, касающиеся такого производства, зафиксировались и в российском ГОСТ. Впрочем, использовать официальные наименования совсем не обязательно. Ближайший синоним — трехмерная печать (хоть он и ассоциируется с простыми домашними 3D-принтерами).

Плюсы и минусы аддитивного производства 

Чтобы понять суть аддитивных технологий, их можно сравнить с другим процессом — субтрактивным (механическим, «вычитающим») производством. Во втором случае изделие создается из материала, от которого постепенно «отнимают» части. При 3D-производстве же излишков материала и отходов не остается вообще или практически — и это один из плюсов технологий.

Другие преимущества:

• возможность создавать сложные по форме детали с высокой точностью;
• улучшенные свойства итогового продукта, часто не нужна его доработка;
• у готовых изделий нет швов;
• в некоторых случаях — упрощение логистики: деталь можно изготовить там, где она необходима;
• скорость производства сложных деталей и предметов.

Как создаются изделия с помощью аддитивных технологий 

Если упрощенно, для создания изделия нужна компьютерная модель предмета и непосредственно его «выращивание» в оборудовании. Если углубиться, этапы можно расписать подробнее:

1. Создание программного эскиза, отражающего геометрию изделия — CAD-моделирование (Computer Aided Design).
2. Создание STL-файла. Этот формат поддерживает большинство установок для 3D-печати. Этап необходим для вычисления срезов и разделения модели на слои.
3. Настройка оборудования. Загрузка файла, при необходимости — коррекция форм, положения и т. д.
4. Непосредственно печать изделия по заданному технологией процессу. Автоматизированный этап, в котором человек выступает наблюдателем.

Этапы могут корректироваться. Например, иногда требуется создание прототипа перед печатью необходимого предмета, а порой — финишная доработка, очистка.

Методы изготовления изделий в аддитивном производстве 

Их немало — различаются методы в зависимости от материала, конечного результата и рабочих технологий на аддитивной установке. Несколько популярных:

• SLA — Laser Stereolithography, лазерная стереолитография. Используемый при производстве материал — жидкие фотополимеры. Они послойно затвердевают под действием лазера. Аналогичный метод, но более быстрый в работе — DLP, прямая обработка светом.
• SLS — Selective Laser Sintering, селективное лазерное спекание. Технология предполагает, что порошок полимеров наносится на платформу для печати, сканируется лазером и частично запекается — только зоны, соответствующие модели. Затем наносится еще один слой, снова обрабатывается лазером — и так далее. Итоговый продукт окружен неспеченным порошком и требует очистки от последнего.
• SLM — Selective Laser Melting, выборочное лазерное спекание. Процесс подобен SLS, но в качестве материала для производства используется металлический порошок.
• FDM — Fused Deposition Modeling, посоленное наплавление. Применяются фотополимеры в виде прутов, нитей или гранул. Материал проходит через сопло машины, расплавляется, головка аппарата распределяет его согласно модели, после чего вещество затвердевает. Один из распространенных методов, по этой технологии работают домашние 3D-принтеры.

Сферы применения аддитивных технологий 

В машиностроении

Пожалуй, самая широкая сфера, где задействовано аддитивное производство. Пальма первенства (или одна из таковых) здесь у BMW: немецкий производитель применял 3D-печать еще под занавес 80-х, а к 2018-му выпустил миллионную печатную деталь — ей стала направляющая окна для BMW i8 Roadster. А в 2018-м появился первый в мире напечатанный автомобиль LSEV — точнее, с помощью аддитивных технологий родились все его видимые части.

Используются технология будущего и в ракетостроении, авиационной и космической промышленности, для создания станков и электрооборудования, деталей и комплектующих. Так, в энергетике 3D-печать нужна для изготовления запчастей лопастей турбин — это дешевле стандартного метода. А детали для авиационных двигателей — например, отечественных ПД-14 и ПД-8Ю — имеют меньшую массу, при этом остаются прочными. Используются 3D-детали на производствах Boeing, Ford, General Electric, Siemens — и это лишь малая часть компаний.

В медицине

Около 20 лет назад в Институте регенеративной медицины Уэйк Форест создали искусственный внутренний орган — мочевой пузырь — который пересадили человеку. Операция прошла успешно, пациент не столкнулся с серьезными осложнениями и отторжением тканей — мочевой пузырь был полностью функционален. С помощью трехмерного производства для него напечатали своего рода каркас, который заселили клетками пациента.

Инновационным проектом в сфере аддитивных технологий занимался доктор Энтони Атала и его команда. По словам Энтони, сложнее всего создавать с помощью биопечати такие органы, как сердце, легкие, почки. Но и в этой сфере ученые добились определенных успехов. Так, в 2019-м израильские исследователи впервые в мире напечатали способное биться сердце (пока, правда, размером с вишню), а в американской компании Organovo еще 10 лет назад сумели создать небольшие фрагменты печени.

Пересадка искусственных органов в будущем сможет спасти множество жизней. Пока же аддитивные технологии применяются при создании протезов, хрящей, частей суставов и костей, в стоматологии.

В фармакологии

3D-печать необходима и в деятельности, связанной с лекарствами и лечением: например, создаются искусственные органы с онкологическими процессами — с их помощью изучают влияние препаратов на злокачественное образование. Таблетки тоже печатаются — здесь первооткрывателями стали США. Первый препарат, созданный с помощью аддитивных технологий, был одобрен в 2015 году, а поступил в продажу в 2016-м.

Средство от эпилепсии работало в организме как и обычная таблетка, но за счет создания по иным технологиям имела ряд плюсов: более пористая структура для быстрого растворения, большая концентрация действующего вещества и более точная дозировка. Другие преимущества 3D-производства лекарств — снижение количества отходов и возможность создавать сложные формы, например, лекарства в виде объемных животных для детей.

В строительстве

Возведение зданий в аддитивном производстве — как полностью, так и их частей — не новое слово в сфере, а новости с заголовками «в городе X появился дом, созданный с помощью 3D-принтера» уже не кажутся фантастикой. Главные плюсы таких технологий — скорость, экологичность, возможность создавать постройки необычной формы и цена (хоть материалы и дороже, затраты в итоге оказываются меньше суммы, если бы работала обычная бригада строителей).

Первые основы аддитивного строительства были заложены в конце 90-х, а бум технологий и прорыв произошел почти 10 лет назад, когда в Китае на выставке показали жилые дома (один из них пятиэтажный), созданные с помощью аддитивных технологий за сутки. Перечислять все существующие сейчас постройки долго — ниже лишь про несколько интересных проектов.

• Самое большое здание, созданное с помощью 3D-принтера, находится в Дубае — это офис в два этажа площадью более 6000 кв. м. Его «построили» за 3 недели.
• В мае 2021 года супруги из Амстердама заехали в жилой дом, полностью созданный с использованием аддитивного производства. Он стал четвертым в мире и первым в Европе.
• Первый в мире «печатный» жилой район появился в Мексике — дома в нем создали для малоимущих и тех, кто лишился своего жилья из-за стихийных бедствий.
• Печатают дома не только из бетона и его смесей — итальянцы первыми использовали для этих целей землю и глину.

В быту

Есть и другие сферы для аддитивного производства: оно используется в ювелирном деле, создании одежды, существует даже пищевая печать. Создавать изделия по 3D-технологиям можно и самостоятельно — приобрести простой бытовой принтер реально за 15−20 тысяч рублей. И здесь применение ограничено только возможностями и фантазией владельца: напечатать получится украшения, детали интерьера, посуду, игрушки, кухонную утварь.

Вдохновиться и применять технологии аддитивного производства дома помогут примеры из сети. Например, журналистка Эрин Уиник пять лет назад с помощью домашнего принтера создала большую часть украшений для собственной свадьбы: от фигурок для столов до букетов себе и подружкам невесты. Больше всего времени ушло на последние: для производства 200 цветов потребовалось около 100 часов.

Аддитивные технологии в России 

Самый большой 3D-офис в Эмиратах (он даже занесен в книгу рекордов Гиннесса) построила команда Apis Cor — стартапа уроженца Иркутска Никиты Чен-Юн-Тая. Дом, сделанный строительным принтером компании, появился и в России — в 2017 году в Ступино: его стены за счет прогрессивных технологий возвели за 24 часа, а стоимость кв. метра жилья составляла 16 тысяч. Создают в России и биопринтеры — например, бренд 3D Bioprinting Solutions, его же сотрудники занимаются и научными исследованиями. Практические успехи тоже есть: в 2016-м резиденты «Сколково» напечатали на отечественном оборудовании функционирующую щитовидную железу, которую успешно пересадили лабораторной мыши.

Однако эксперты сходятся в том, что аддитивное производство в России еще молодое и пока отстает в развитии от мировой динамики — заметный рост начался около 10 лет назад. Доля РФ в структуре рынка по всем странам — всего 1−2%. В денежном выражении объем российского рынка аддитивных технологий (оборудования, деталей, материалов, услуг и ПО) в 2020 году был равен 3560 млн руб., отчитывался Минпромторг, — при том, что мировой рынок оценивали в 12 млрд долларов.

По прогнозам, объем аддитивного рынка к 2025 году приблизится к цифрам в 22−33 млрд долларов — сбавлять темп производители не собираются. В том числе и российские. Предполагается, что к 2030 году в стране появится порядка 180 центров аддитивных технологий, а стратегия развития сферы закреплена на государственном уровне — распоряжением правительства от 2021 года.