Выращивать, а не отсекать
К новым чудо-технологиям, меняющих нашу жизнь, относятся аддитивные технологии. В их основе лежит использование специальной машины — 3d-принтера, который способен создавать принципиально новые и сложные детали путем наслоения или добавления (от английского add — добавлять) материала друг на друга. Сам процесс часто называют выращиванием. Это принципиальное отличие от традиционных технологий, похожих на работу скульптора, наоборот, отсекающего от заготовки лишнее или меняющего ее геометрию.
Чтобы напечатать изделие на аддитивном аппарате, сначала разрабатывается его компьютерная 3D-модель. Затем файл с трехмерным изображением загружается в машину, где и происходит изготовление детали. Далее извлеченное изделие либо сразу используется по назначению, либо дорабатывается — покрывается грунтовкой, краской или лаком.
Первый такой аппарат еще в 1986 году сконструировал ученый Чарльз Халл. Для создания изделий тогда можно было использовать только полимерные материалы. Сегодня «сырьём» служат керамика, песок, металлы, сплавы и даже биоматериалы.
Главные преимущества аддитивных технологий состоят в следующем:
- значительно сокращаются производственные отходы — материала необходимо ровно столько, сколько нужно;
- детали изготавливаются с максимально высокой точностью, воспроизводятся очень сложные изгибы и углы;
- получаемая продукция обладает улучшенными свойствами, что отражается на ее качестве.
От челюсти до турбины
Пока изделия, выпущенные благодаря аддитивным технологиям, имеют два основных недостатка: высокую стоимость и ограниченный размер. Совершенствование технологий и серийное производство продукции способны устранить эти слабости. Двигателем прогресса является быстро растущий интерес. Целый ряд отраслей уже активно использует 3d-печать, среди них — авиакосмическая, электронная, машиностроительная, медицинская, строительная и энергетическая сфера, включая атомную энергетику.
В авиастроении технологии нужны, например, для производства более легких титановых деталей. Меньший вес самолета позволяет поднимать в воздух большее количество грузов и увеличивать дальность полётов. В энергетике 3d-печать применяется для производства запасных частей лопастей турбин, что значительно удешевляет и сокращает сроки их ремонта. Есть примеры «печати» домов в разных странах, включая Россию. В Китае даже построили целый квартал.
А в медицинской сфере 3d-печать уже достаточно широко используется для производства имплантатов. Здесь успешно создаются персональные сердечные клапаны, искусственные челюсти, части суставов. Известны случаи, когда хирурги с помощью 3d-печати реконструировали лица людей, серьезно пострадавших в ДТП.
В России госкорпорация «Росатом» разработала целую линейку лазерных принтеров для печати металлических изделий. Например, в принтере RusMelt-600 путем плавления металлических порошков наращиваются детали нужной формы. Они сопоставимы по прочности с литыми изделиями. Еще одной важной характеристикой аппарата является то, что он является двухлазерным и двухпорошковым в отличие от самого первого 3d-принтера Melt Master-550, разработанного компанией. Это позволяет разделить остаточный порошок и использовать его вновь.
Новая жизнь полимеров
Полимерные материалы благодаря своим свойствам и многообразию получили широкое распространение во всем мире. И неслучайно именно они использовались на первых 3d-принтерах. Если говорить проще, то полимеры — это бусы, состоящие из бусин — мономеров. Эти вещества встречаются в природе, но с развитием промышленности их научились создавать искусственным путём. В зависимости от количества состав полимеров не меняется, меняются их характеристики свойства. Поэтому они могут быть твердыми, гибкими, пластичными, жидкими, прозрачными, цветными и даже «умными».
В медицине уже давно используют шприцы, контактные линзы, бахилы, протезы и многие другие изделия из полимеров. Не менее 100 полимерных материалов задействовано при производстве автомобилей: начиная от колпаков колес и заканчивая некоторыми частями двигателя. А в пищевой отрасли широко распространена упаковка из полиэтилена — разновидности полимеров.
«Росатом» также работает с полимерами, создавая инновационные продукты. К ним относятся, например, термопластичные ленты. Они, в частности, широко применяются для защиты изоляции газовых и нефтепроводов, в строительстве — для защиты металлоконструкций. Термопластичные ленты обладают повышенной устойчивостью к высоким температурам и стойкостью к трещинам. Это значительно продлевает ресурс эксплуатации тех же труб.
Атомщики первыми в России разработали композиционную пасту из отечественного сырья для 3D-печати карбидокремниевой керамики. В самой атомной отрасли уже сейчас применяются подшипники и рабочие колеса насосов, выполненные из такой керамики. Их производство планируется сделать серийным.
«Напечатанные на 3D-принтере изделия из разработанного нами материала по своим характеристикам не будут уступать аналогам, получаемым традиционным способом. При этом использование аддитивных технологий на стадии формования позволит изготавливать сложнопрофильные изделия из карбида кремния гораздо быстрее за счет уменьшения количества и объема необходимых технологических операций», — отмечает младший научный сотрудник лаборатории разработки медицинских материалов «НИИграфит» Ильнур Ляпин.
Еще одна уникальная разработка от «Росатома» — композиционный материал ЭПАН-3Б. Он незаменим для агрегатов, перекачивающих агрессивные жидкости. А недавно корпорация открыла завод по производству ПАН-прекурсора — стратегического сырья для получения углеродного волокна. Из волокна, в свою очередь, делают изделия, которые прочнее стали и легче алюминия.
Однако существует проблема утилизации использованных полимеров. Так, например, срок разложения пластика или полиэтилена может достигать нескольких сотен лет. Но и здесь есть «свет в конце тоннеля». Во всем мире развитие получают технологии переработки и многократного использования полимеров.
Ученые уже работают и с так называемыми умными полимерами. Они обладают способностью сильно реагировать на какое-то внешнее воздействие — резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности или освещения. Их сегодня используют в биомедицине, например, для доставки лекарств в нужную точку организма или в повязках, которые автоматически регулируют баланс влаги внутри и вокруг раны.
Разновидностью «умных» являются самозалечивающиеся полимеры. Человеческий организм, способный к самовосстановлению, подсказал науке идею создания материала, который может сам себя «залатать». Его структуры содержит микрогранулы, заполненные особой жидкостью. При повреждении жидкость вытекает из них и заделывает образовавшийся дефект. Многие эксперты уверены в огромном потенциале этой технологии.
Как видим, буквально на наших глазах мир меняется, а сказки становятся былью. Какие еще технологии сделают наше настоящее и будущее, а также выведут качество жизни совершенно на другой уровень, можно узнать на научно-просветительской платформе Homo Science.
Реклама. Частное учреждение по реализации коммуникационных программ атомной отрасли «Центр коммуникаций»
ИНН: 9705152344