Как применяют аддитивные технологии ученые и преподаватели всего мира

Все больше образовательных учреждений используют в своей работе 3D-принтеры и 3D-сканеры.  Одно из направлений нашей компании – продажа оборудования, в том числе в школы и университеты. И недавно мы посетили одного из наших заказчиков – Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ), чтобы подробно расспросить инженера-программиста, как же они используют свою 3D-технику. Совсем скоро мы выпустим материал о кейсе, и вы узнаете, для чего в лаборатории университета 3D-техника. 

С каждым годом нам доверяют все больше учреждений. На данный момент мы оборудовали уже более 400 школ, университетов и техникумов в различных городах России. Например, в  лаборатории Самарского государственного медицинского университета (СамГМУ), в московском ФГБОУ ДПО «ИРПО» и Университете науки и технологий МИСИС специалисты используют свои промышленные SLM-установки. В АО «Технопарк Санкт-Петербурга» производят изделия на SLA-принтере, а в набережночелнинском филиале ФГАОУ ВО КФУ используются сразу и SLS, и SLM-принтеры. Нельзя обойти стороной и РАН в Москве, Томске, Екатеринбурге и Новосибирске, которые вовсю используют интегрированные нами SLM-принтеры

Далее мы расскажем подробнее, как именно привычные нам 3D-технологии используются для науки.

3D-печать в образовании: от теории к практике

Современные учебные заведения активно внедряют 3D-технологии, превращая абстрактные концепции в осязаемые объекты. Так, в Финляндии и США учащиеся используют 3D-принтеры для создания моделей молекул на уроках химии, а также для воспроизведения исторических артефактов. Это делает изучение более интерактивным и увлекательным.

Инновационные материалы

Использование прозрачных смол в LCD-печати позволяет создавать детализированные модели человеческого тела, наглядно демонстрируя расположение органов, работу суставов и даже динамику биологических процессов, таких как кровообращение и движение лимфы.

Более того, в лабораториях разрабатывают специальные «умные» чернила для 3D-печати, такие как жидкокристаллические эластомеры (LCE). Эти материалы могут менять форму при нагреве, подобно тому, как сокращаются мышцы. А пьезоэлектрические материалы (как в зажигалках) генерируют электричество при сжатии. Студенты могут печатать такие «живые» конструкции и наглядно изучать принципы работы искусственных мышц или автономных датчиков, что делает сложные научные концепции более понятными.

Медицина и биология: от анатомии до физиологии

Стэнфордский университет использует 3D-печать для создания анатомических моделей, позволяя студентам-хирургам отрабатывать операции на точных копиях органов с патологиями, что значительно повышает качество подготовки будущих специалистов.

Ранее мы выпустили материал, в котором рассказали о медицинском применении 3D-принтеров разных технологий.

Инженерия

Инженерные вузы идут дальше. Студенты не просто проектируют детали механизмов на компьютере, но и сразу печатают их, тестируя в реальных условиях. Например, в массачусетском MIT и московском МАИ будущие инженеры создают прототипы роботов, авиационных компонентов и летательных аппаратов, что значительно ускоряет процесс обучения. 

Палеомедицина

Международная команда исследователей, включающая антропологов из Университета Катманду в Непале и специалистов по цифровым технологиям из Европейского института археометрии, провела уникальный проект по 3D-сканированию древних костных останков в долине Катманду. Используя ручной 3D-сканер, они оцифровали более 200 археологических находок возрастом от 500 до 1500 лет, включая черепа и длинные кости из раскопок в районе Патан. 

Полученные 3D-модели с точностью 0,1 мм теперь используются в учебных программах пяти университетов Непала и в международных исследовательских проектах по изучению миграции народов в Гималайском регионе.

Перейдем в научную сторону статьи и расскажем об исследованиях и открытиях.

Научные прорывы через 3D-печать

Самовоспринимающие материалы (self-sensing materials)

Современные 3D-принтеры теперь могут создавать материалы с функцией самодиагностики (self-sensing technology). Например, при печати бетона добавляют углеродные волокна. Когда такой материал испытывает нагрузку или повреждение, его электрическое сопротивление меняется. Это позволяет конструкции буквально «чувствовать» свое состояние, как нервная система у живых организмов. Такие технологии уже тестируют в «умных» зданиях и мостах, где они могут своевременно оповещать о возможных проблемах.

Высокотемпературные суперсплавы

Исследователи из Чунцинского университета оптимизировали параметры печати при лазерном плавлении (LPBF) для жаропрочного никелевого сплава GH4099, применяемого в авиационных двигателях. Благодаря точной настройке мощности лазера в 317 Вт и скорости сканирования 900 мм/с удалось добиться плотности материала 8,354 г/см³. Примерно такая плотность у бронзы и латуни. Для сравнения: если взять два одинаковых по размеру кубика один из алюминия с плотностью 2,7 г/см³, а другой – из полученного сплава, то второй окажется втрое тяжелее.

Промышленные инновации

Специалисты Rapid Manufacturing Center (RMC) при HUST (Хуачжунский университет науки и технологии) разработали инновационную технологию 3D-печати керамических компонентов из карбида кремния (SiC) для аэрокосмической отрасли. 

Используя метод селективного лазерного спекания (SLS) с последующей инфильтрацией жидким кремнием, они создали детали с плотностью свыше 98% и прочностью на изгиб более 250 МПа. Это сопоставимо с прочностью некоторых марок конструкционной стали, но при этом материал сохраняет легкость. Его плотность составляет всего 2,87 г/см³, что втрое меньше плотности стали.

При испытаниях в условиях 1650°C керамические панели демонстрировали исключительную устойчивость: скорость эрозии не превышала 0,05 г/м²·с, а при циклических тепловых нагрузках (от комнатной температуры до 1300°C) их долговечность оказалась в три раза выше, чем у традиционных аналогов. Такой прорыв стал возможен благодаря уникальной пористой структуре, созданной методом SLS-печати, которая сочетает высокую термостойкость с эффективным рассеиванием тепловых напряжений.

Биомедицина

В медицинской отрасли стало возможным создание биосовместимых костных каркасов (скаффолдов), которые точно повторяют пористую структуру натуральной кости благодаря комбинации микро-КТ и CAD-моделирования. 

Ученые в HUST разработали PEEK-имплантаты с трехпериодическими минимальными поверхностями (TPMS), обеспечивающие высокую прочность и биосовместимость. Эти имплантаты успешно применяются в спинальной хирургии, сокращая сроки восстановления пациентов.

Мы же можем поделиться нашим совместным кейсом с компанией Ортоинвест – производителем и разработчиком медицинских имплантатов. Для компании мы произвели индивидуальную пластину артродеза плечевого сустава из титанового сплава ВТ6. Детально этот кейс раскрыли в материале.

Современные технологии биопечати совершили большой скачок в воссоздании сложной альвеолярной структуры. Альвеолярной структурой является анатомия человека в виде ячеек или углублений, такие чаще встречаются в легких и челюстях. 

Метод стереолитографии (SLA) позволил точно воспроизвести тончайшие газообменные мембраны. Особого внимания заслуживает разработка гидрогелевых каркасов на основе полиэтиленгликоля (PEG). Созданные каркасы являлись биосовместимыми и способными поддерживать жизнедеятельность альвеолярных клеток II типа.

В эксперименте 2019 года ученые успешно интегрировали сосудистую сеть, способную насыщать эритроциты кислородом. Такие модели открывают новые возможности для изучения последствий COVID-19 и разработки методов лечения легочных заболеваний.

Революционное решение предложили специалисты по биоматериалам. В разработке были использованы гидрогели из белков паучьего шелка в качестве основы для кардиальных заплат. Уникальный материал обладает высокой биосовместимостью и исключительной эластичностью (до 200% растяжения). Более того, заплаты способны поддерживать сократительную функцию кардиомиоцитов, работая синхронно с окружающей тканью сердца. А их пористая структура позволяет эффективно интегрировать капиллярную сеть.

Космические технологии

Исследователи из Университета Сиань Цзяотун (XJTLU) создали гибридный процесс, сочетающий лазерное направленное энергетическое осаждение (DED) и 5-осевую ЧПУ-обработку. Это позволило изготовить 10-метровое алюминиевое кольцо для тяжелых ракет-носителей всего за месяц. Такой подход не только сократил сроки производства, но и значительно снизил затраты по сравнению с традиционными методами.

В Московском авиационном институте создают инновационный спутник формата CubeSat размером с небольшую сумку (12–16 модулей-«кубиков» по 10 см) что делает его 2–2,5 раза крупнее аналогов на российском рынке. А его мозг – бортовой компьютер также разработан специалистами в вузе. Детали для спутника частично печатают на 3D-принтере как конструктор будущего. Такие аппараты дешевле традиционных и идеальны для научных задач: от экологического мониторинга до испытания новых технологий в космосе.

Революция в производстве титановых деталей и суперсплавов

Традиционные методы изготовления титановых деталей (литье, механическая обработка) требуют дорогостоящего оборудования и сложных условий производства. Ученые Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ) предложили инновационное решение: Совмещение SLM и DMD-технологий. Это позволяет создавать детали с оптимальной микроструктурой, соответствующей требованиям авиации и машиностроения, и снижает себестоимость за счет сокращения этапов механической обработки.

Более того, модернизация рабочей камеры лазерного комплекса предотвращает растрескивание деталей при остывании. А разработанная система позволяет расширить диапазон применяемых титановых сплавов за счет точного контроля структуры на каждом участке детали. 

Никелид-титановые сплавы с памятью формы (NiTi)

В Университете электронных наук и технологий Китая (UESTC) разработали перспективную технологию изготовления сплавов NiTiCu (никель-титан-медь) с улучшенными функциональными свойствами. Такой материал обычно используется в медицинских стентах или робототехнике. Раньше, чтобы этот материал переключился из одной формы в другую (например, сжался или расширился) его нужно было нагреть или охладить в довольно большом диапазоне на 24.4°C. 

Используя метод дуговой аддитивной печати (T-WAAM), они добились значительного сужения гистерезиса фазового перехода с 24.4°C до 7.1°C за счет введения 20.8 ат.% меди. Ат.% (атомные проценты) – это единица измерения, показывающая долю атомов меди относительно общего числа атомов в сплаве. Добавив 20.8% меди (в расчёте на атомы), они сделали материал более «четким». Теперь ему достаточно изменения температуры всего на 7.1°C, чтобы переключиться. 

Полученный материал демонстрирует однородный фазовый переход B2-B19 при температуре 52.8°C. Интересно, что его микроструктура сочетает разные типы зерен: столбчатые, равноосные и игольчатые. Это обеспечило постепенное увеличение микротвердости от 320.9 HV в первом слое до 416.4 HV в третьем. Подобно тому, как в многослойном защитном покрытии каждый слой выполняет свою функцию.

4D-печать и интеллектуальные материалы

Особый прорыв достигнут в области пьезоэлектрических материалов. Ученые напечатали многослойные пленки из PVDF-TrFE, которые генерируют напряжение до 88,6 В при давлении 0,046 МПа. PVDF-TrFE – это гибкий пластик, который умеет генерировать электричество при сжатии/изгибе и менять форму под напряжением.

Такие материалы идеально подходят для носимых датчиков и систем сбора энергии. Кроме того, гибридные методы печати, такие как комбинация стереолитографии (SLA) и струйной печати, позволили создать электромагнитные датчики давления с чувствительностью 7,75×10^8 Гц/мм, способные выдерживать до 100 циклов использования.
В RMC HUST разработаны 4D-печатные материалы, способные изменять форму и свойства под воздействием внешних стимулов (температура, магнитное поле). Например, магнитоуправляемые полимерные композиты используются для создания медицинских имплантатов и адаптируются к анатомии пациента после установки.

Архитектура

В рамках диссертационного исследования, посвященного иконографии гигантомахии на античной керамике, аспирантка Эмили Эссер применила метод 3D-сканирования фрагментов аттической вазы (V в. до н.э.) из коллекции Музея Гетти для верификации гипотезы о воинственной ипостаси Геры. 

Традиционный 2D-анализ (черно-белые фотографии и графические реконструкции) не позволял однозначно интерпретировать утраченные фрагменты сцены. Однако трехмерное моделирование подтвердило композиционную невозможность размещения в лакунах иных фигур, кроме доминирующей фигуры Геры над поверженным противником. Критическим доказательством стал осколок с фрагментом пятки Геракла, пространственное положение которого в 3D-модели исключило альтернативные трактовки. 

Океанология

Ученые из Университета Копенгагена и KAUST (Университета науки и технологии имени короля Абдаллы) применили технологию 3D-сканирования для изучения микроокружения кораллов вида Stylophora pistillata. 3D-сканером Shining 3D Einscan-SP команда оцифровала морфологию кораллового фрагмента без повреждения образца. 3D-модель помогла визуализировать «горячие точки» светопоглощения и тепловые градиенты. 

Комбинация сканирования с численным моделированием подтвердила, что сложная структура коралла усиливает фотосинтез за счет рассеивания света в тканях. Это открытие имеет большое значение для прогнозирования последствий обесцвечивания кораллов и разработки методов их защиты.

Вызовы и перспективы

Разработки открывают новые возможности для создания интеллектуальных устройств в медицине, аэрокосмической отрасли и робототехнике. Однако, несмотря на прогресс, аддитивные технологии только в начале своего развития, поэтому остаются некоторые сложности.

Трудности:

• Высокая стоимость промышленных принтеров для печати металлами и биоматериалами;

• Нехватка стандартов контроля качества, особенно в медицине и аэрокосмической отрасли;

• Необходимость переподготовки преподавателей и инженеров для работы с новыми технологиями.

Перспективы:

• Появление университетских «цифровых фабрик» где студенты смогут проектировать и сразу производить свои изобретения;

• Прорывы в персонализированной медицине благодаря 3D-печати индивидуальных имплантатов и органов;

• Массовое внедрение аддитивных технологий в тяжелую промышленность.

Заключение

3D-технологии стирают границы между теорией и практикой. Они делают образование более наглядным, а научные исследования – более быстрыми и точными. Аддитивное производство становится ключевым инструментом прогресса как в медицинских группах, так и на космических станций и передовых промышленных производствах. 

Реклама. OOO "3Д Вижн". ИНН: 7802253640