- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

От фрагментов человеческого черепа до деталей для спутника

Технология так называемого 3D-принтинга в последнее десятилетие стремительно завоевывает популярность в тех областях индустрии, где требуются штучные изделия сложной формы. Это и медицина, и авиация, и космос, и автомобилестроение. 3D-биопринтеры изготовляют сердечные клапаны, ткани кожи и кровеносных сосудов. Десятки человек, получившие тяжелые травмы, сейчас живут и здравствуют после хирургических операций по вживлению фрагментов черепа, сделанных на 3D-принтере из керамических материалов с помощью ультрафиолетового отверждения. Фирма Siemens применяет слуховые аппараты, индивидуально настроенные под ухо пациента. Из деталей, созданных с помощью 3D-принтера, пять лет назад был собран электромобиль Urbee 2 (максимальная скорость — 112 км/ч, способен ехать на электротяге без подзарядки 64 км). Масштабы распечатанных объектов растут. В 2014 году шанхайская компания WinSun использовала строительные 3D-принтеры для возведения особняка площадью 1100 м2; блоки были отпечатаны из особо прочного бетона, экономия материалов составила около 60%, а состав строительной бригады был сокращен в пять раз. Корреспондент ТрВ-Наука Алексей Огнёв побывал в недавно открывшейся лаборатории аддитивного производства Сколковского института науки и технологий, намереваясь выяснить, каковы перспективы 3D-принтинга в России.

Зубы и шестеренки

Владимир Каляев

Владимир Каляев

— Ключевая мысль — мы выращиваем объекты из пыли. Это могут быть зубы, суставы, фрагменты черепа, хирургические инструменты, детали для роботов, спутников, ракет и самолетов… — рассказывает инженер лаборатории Владимир Каляев, выпускник физфака МГУ. — Классические, субтрактивные технологии — это метод Микеланджело: взять кусок мрамора и отсечь всё лишнее. Аддитивные технологии не отсекают, а выращивают. Параметры изделия поступают напрямую из компьютера. Поэтому мы можем изготовить деталь практически любой формы и сложности. Мы работаем с индивидуальными заказами.

Владимир демонстрирует миниатюрный механизм из нержавеющий стали: маленькие шестеренки вращаются вокруг другой, побольше, внутри зубчатого диска. Лазерный луч выплавил это изделие из порошка за три часа. Оно демонстрирует технологию печати из металла в вакуумной камере. Особенность объекта в том, что его невозможно разобрать. Он вырос за один прием.

За полтора года удалось оснастить лабораторию и подобрать ансамбль принтеров из Германии, Франции и Южной Кореи, аналога которому нет ни в одной точке мира. В частности, здесь есть 3D Ceram Ceramaker 900, лучший на данный момент принтер для печати керамикой. Он может изготавливать объекты в диапазоне от ювелирных украшений до имплантатов с индивидуальными для каждого пациента параметрами. Также лаборатория оборудована Insstek MX 1000, который работает по высокоскоростной технологии Powder Bed Fusion. Он печатает изделия больших размеров из стали, меди, алюминия, титана и никеля. Сотрудники Сколтеха принимают активное участие в создании новой версии этого аппарата. Trumpf TruPrint 1000 работает с нержавеющей сталью, а 3D Systems ProJet 4500 — с пластиком. Лаборатория будет не просто использовать зарубежные принтеры для сотрудничества с промышленностью, но и опробовать свои собственные технологии 3D-печати, а также разрабатывать и сертифицировать порошки для 3D-принтинга.

История 3D-принтинга восходит к XIX веку, когда появились первые фотоскульптуры и рельефные топографические карты. Если говорить о промышленном использовании, то в 1950-е годы в Германии был разработан метод стереолитографии, который позволяет создавать объемные модели из светочувствительного полимера. Усовершенствованную технологию в 1984 году запатентовал американец Чарлз Халл. Спустя два года он уже наладил индустриальное производство в своей компании 3D-Systems. Изначально технологии создания трехмерных объектов называли «быстрым прототипированием». В 1995 году студенты Массачусетского технологического института предложили яркий термин «3D-принтинг», который быстро вошел в моду.

People-to-people interaction

Станислав Евлашин

Станислав Евлашин

Лаборатория — часть сколтеховского Центра проектирования, производственных технологий и материалов. Она была открыта в ноябре прошлого года. Сколтех сотрудничает с центром исследований и разработок швейцарской компании Oerlickon, недавно открытым в Мюнхенском технологическом университете. Компания, со своей стороны, уже закупила 3D-принтеры на сумму около миллиона долларов для установки в Сколтехе. В этом году расширенная за счет оэрликоновского оборудования лаборатория переедет в новый университетский кампус.

— Сейчас в нашей лаборатории один профессор, два научных сотрудника, три магистранта, четыре аспиранта, пять инженеров. Набор студентов постепенно будет расти. Около трети из тех, кто учится в нашем Центре, — выпускники Физтеха. Они поступают к нам в рамках совместной программы Физтеха и Сколтеха. Кроме того, у нас есть два иностранца, один из Непала, второй — из Конго, — рассказывает Станислав Евлашин, заместитель руководителя лаборатории. — Большинство профессоров нашего Центра — из-за рубежа: США и Великобритании. Причем это не только иностранные граждане, но и выходцы из нашей страны. Учебный год разбит на семестры по два месяца. В этой лаборатории студенты знакомятся со всеми принципами 3D-печати, делают свои изделия, исследуют их механические и прочностные, а также структурные свойства с использованием оптического и электронного микроскопов, рентгеноструктурного анализа и т. д. Кроме того, есть отдельный курс по индустриальной робототехнике. Помимо обязательных курсов студенты имеют возможность слушать лекции приглашенных ученых с мировым именем.

Святослав Чугунов

Святослав Чугунов

Станислав — канд. физ. -мат наук, материаловед, он окончил физфак МГУ и работал в НИИ ядерной физики этого университета. Сейчас Сколтех выстраивает научное сотрудничество с МГУ. Станислава привлекает тот факт, что в Сколтехе открытая структура, налажено сотрудничество между разными лабораториями, всё оборудование сконцентрировано в соседних зданиях, и на любом приборе может работать каждый студент или сотрудник института. Единственное условие — уметь это делать и пройти инструктаж по технике безопасности.

— Мы сотрудничаем и с российскими, и с зарубежными компаниями. Для одной компании мы будем исследовать спекаемость уже существующего материала, для другой — проводить научные исследования, которые лягут в основу разработки нового материала, — говорит Станислав. — Такие компании, как «Северсталь», понимают, что 3D-технологии — это будущее. Прежде, чем покупать принтеры, они сотрудничают с нами, чтобы выяснить, насколько принтер удовлетворяет требованиям, которые заявляет производитель.

Технологиями по работе с керамикой занимается научный сотрудник центра Святослав Чугунов. Его специальность — механическая инженерия: гидродинамика, нанофлюидика. Он учился в Башкирском госуниверситете, получил PhD в США, работал в Университете штата Джорджия на позиции постдока. Я спрашиваю, что его привело в Сколтех.

— Я вернулся в Россию, потому что понял, что знания и опыт, накопленные мною, востребованы здесь. Конечно, я не уникальный специалист, но у нас экспертов в моей области немного. Я хочу помочь моей стране устранить технологическое отставание и в каких-то вопросах, даже начать перегонять США, Европу и Азию. 3D-печать позволяет изготавливать детали быстрее, дешевле и качественнее. Распределение плотностей более равномерно, меньше дефектов, механические свойства выше. При традиционных методах производства 50–60% материала уходит в виде стружки, в аддитивных технологиях количество отходов составляет около 5%. Но при всех своих плюсах это еще молодая и узкоспециализированная технология, хотя интерес к ней в последние два года значительно усилился.

По данным публичного аналитического доклада Сколтеха по новым производственным технологиям, среднегодовые темпы прироста в отрасли аддитивного производства в 2010—2012 годах составили 27%. Это довольно много. Однако Wohlers Associates оценивают рынок аддитивных технологий к 2021 году всего в 10,8 млрд долл. В то же время рынок продукции нанотехнологий превышает 1 трлн долл.

Телескоп и микроскоп

Искандер Ахатов

Искандер Ахатов

Из помещения в подвале, нашпигованного промышленными роботами и 3D-принтерами, я поднимаюсь в рабочий кабинет Искандера Ахатова, профессора Сколтеха. За стеклянной стеной расстилается заснеженное поле, ярко светит весеннее солнце, самолеты взлетают и заходят на посадку в аэропорт Внуково. Интересно, используются ли в них аддитивные технологии? Мы в одном из четырех кубических разноцветных корпусов института на улице Нобеля.

Искандер Шаукатович — руководитель лаборатории и директор всего сколтеховского Центра проектирования, производственных технологий и материалов, частью которого она является. Помимо 3D-принтинга здесь занимаются плазменным напылением твердых покрытий, автоматизированным проектированием и создают новые композиционные материалы на полимерной основе.

— Наука создания изделий из новых материалов очень близка к искусству, — говорит Ахатов. — Необходимо понимать и мелкую структуру материала, и всё изделие целиком. Михаил Ромм говорил приблизительно так: «Настоящий режиссер должен пользоваться двумя приборами: микроскопом и телескопом. Микроскоп позволяет видеть все тонкости человеческой души, а телескоп — всё мироздание». Это, на мой взгляд, наиболее образное объяснение многомасштабности. Инженер тоже работает в многомасштабном мире. 3D-принтинг позволяет из порошковых частиц микронного размера делать сантиметровые и метровые изделия. При этом нужно отдавать себе отчет, что во всем есть здоровый предел. Еще одно крылатое выражение — французского моралиста Жана де Лабрюйера: «Известная духовная ограниченность помогает иным людям идти по стезе мудрости». Кто умеет остановиться в подборе точности, тот может принимать правильные решения, а если он уйдет слишком далеко, то потеряет нить. Что-то я увлекся философией…

Искандер Ахатов — специалист в области механики многофазных и дисперсных систем, жидкостей с пузырьками и частицами. Он родился в Уфе, его отец — заслуженный нефтяник, мать — почетный юрист. В 1970-е учился на физфаке МГУ, защитил кандидатскую на мехмате. Она была посвящена математическому моделированию горения и детонации порошкообразных топлив. Докторскую по нелинейным волнам в жидкостях со сложной реологией защищал в 1991 году в Новосибирске. Много лет он работал в Башкирском государственном университете, прошел путь от ассистента до заведующего кафедрой, параллельно руководил лабораторией в Институте механики Уфимского научного центра РАН, затем был назначен его директором.

В 1990-е Искандер Шаукатович работал в качестве приглашенного профессора в Гёттингенском, в 2000-е — в Бостонском и Ренсселаирском университетах. В 2003-м получил постоянную позицию профессора в Университете штата Северная Дакота и переехал с семьей в Соединенные Штаты. Его супруга — биолог, она изучала физиологию человека и животных, в России занималась экологией и анализом почв, дочь окончила Корнеллский университет и работает в области финансовой инженерии, сыну 13 лет, сейчас он учится в International School of Moscow в Крылатском.

Решение вернуться вместе с семьей в Россию было ответственным шагом. Всё началось с программы мегагрантов. Искандер Шаукатович получил предложение организовать Научный центр по динамике дисперсных систем в Башкирском государственном университете, выиграл заявку и четыре года жил на две страны, так как по условиям гранта четыре месяца необходимо было проводить в России.

В это время Искандер Ахатов познакомился с заместителем министра образования Алексеем Пономарёвым (в настоящее время — вице-президент по связям с промышленностью Сколтеха), который сказал: «У тебя была мечта принести пользу российской индустрии. Это время пришло. Хочешь работать в Сколтехе?» Искандер Шаукатович согласился и вошел в координационный совет института. Долго, почти полгода, готовил proposal на создание Center for Research Education Innovation по нефти и газу. Открытую экспертизу проводил Массачусетский технологический институт. Заявку одобрили. Ученый набрал большую команду зарубежных профессоров. Оставалось найти директора, но на эту позицию никто не соглашался. Тогда Ахатов согласился возглавить центр сам и переехал вместе с семьей в Москву. Вскоре он получил от Сколтеха новое предложение — создать Центр проектирования, производственных технологий и материалов, а Центр нефти и газа возглавил его зам.

Будущее 3D-принтинга

3D-принтер Insstek MX 1000 печатает изделия из стали, меди, алюминия, титана и никеля

3D-принтер Insstek MX 1000 печатает изделия из стали, меди, алюминия, титана и никеля

— Как вы видите основную цель Центра под вашим руководством?

— Концепция Сколтеха заключается в том, чтобы давать дополнительный импульс ключевым научным областям. А инженерное направление является самым тяжелым в России, потому что оно так или иначе связано с машиностроением, которое реально лежит на боку. Его нужно возрождать. Инженерное образование и инженерная наука в России находятся в загоне. Они просто-напросто упали в яму. И чтобы их поднять, нужны огромные усилия. Сейчас в СМИ часто звучат лозунги «догнать и перегнать», «быстро сделать прорыв». На самом деле для того, чтобы поднять инженерную науку и образование, требуется время и большие постоянные усилия.

— И сколько времени понадобится?

— Годы. Пятилетия. Инженерное образование — самое дорогое в мире, потому что требует сложного оснащения. Тем не менее в России оно развивается. Сколтех должен и выращивать студентов, и развивать отношения с индустриальными партнерами, и пытаться внедрять новую инженерную тематику, потому что машиностроение — одна из самых неповоротливых индустрий.

— В чем вы видите особенность образования в вашем Центре?

— Инженерное образование держится на трех китах. Во-первых, академическая механика. Она всегда была сильна в России, и уровень здесь опускать нельзя. В нашу программу входят курс механики сплошных сред, численные методы. Во-вторых, информационные технологии. Это веление нового времени. В-третьих, advanced manufacturing, концепция learning by doing, работа руками. Наши студенты не сидят за партой целый день. Они разбиваются на группы, надевают халаты и работают на 3D-принтерах, а потом несут изделия в лабораторию и там испытывают на прочность. Обнадеживает и то, что ребята у нас очень сильные. Сегодня проходила предзащита магистерских диссертаций в нашем Центре, и я могу констатировать: к нам приходит очень хороший человеческий материал.

— Какова стратегия вашей лаборатории аддитивного производства?

— Я вам честно скажу: лозунг о том, что 3D-принтинг — технология будущего, которая перевернет мир, придуман журналистами. Требуется большой R&D, чтобы эта технология действительно изменила если не мир, то индустрию. 20 лет назад в Америке 3D-принтеры надежно и чисто печатали изделия из пластика — это называлось rapid prototyping. Но с другими материалами всё сложно. Надо попробовать, отойти в сторонку, подумать, еще раз попробовать. Сейчас новые материалы выпускают несколько компаний, которые сами производят 3D-принтеры. Компании, которые принтеры не производят, но выпускают порошки, заинтересованы в рынках сбыта. Но остается открытым вопрос: какие материалы можно использовать, а какие нет?

— Как усовершенствовать технологию 3D-принтинга?

— Путь к улучшению 3D-принтеров двойной: с одной стороны, совершенствование программного обеспечения для управления печатью, с другой стороны — адаптация лазерного луча и самого материала.

Во-первых, нужно развивать новые подходы к моделированию формы объекта. Под формой подразумевается сложная геометрия. Представьте себе куб 1 x 1 x 1 м, внутри — сложная структура из дыр и каналов микронного размера. Это сложнейший объект, который современные компьютеры оцифровать не могут — просто памяти не хватит. Нужны новые математические методы и программное обеспечение, которые могли бы перерабатывать эту информацию в том виде, который принтер воспримет. Нынешние способы недостаточны для того, чтобы напечатать всё, что угодно.

Во-вторых, до сих пор никто не знает в точности, каким образом лазерное излучение действует на тот или иной порошок. Раньше действовали методом проб и ошибок. Но теперь все физические процессы, которые сопутствуют этому явлению, должны подвергаться детальному анализу, и технологию нужно оптимизировать. После того, как это будет сделано, 3D-принтеры можно будет эффективно встраивать в схемы автоматизированного проектирования и «бесчеловечное» производство, использующее широкую палитру материалов. Сейчас 3D-принтеры могут работать как роботы в основном только по пластику. Поэтому нам нужно дальше развивать инженерную науку, чтобы воплощать революционную идею 3D-принтинга в реальность.

Алексей Огнёв
Фото Виталия Шустикова

Магистерская программа «Инновационные и цифровые инженерные технологии»

В магистерскую программу «Инновационные и цифровые инженерные технологии» приглашаются студенты, обладающие фундаментальными знаниями в области математики, физики и инженерных наук. В рамках программы они проходят базовые курсы по механике сплошных сред, механике и физике новых производственных технологий, вычислительным методам, информационным технологиям в производстве. Затем обучение продолжается по одному из трех направлений: инновационные технологии (включая 3D-печать); композиционные материалы (их свойства и производство); информационные технологии в производстве. У студентов есть возможность в процессе обучения заниматься наукой под руководством профессоров.

Узнать больше: msc.skoltech.ru/innovatsionnye-i-tsifrovye-inzhenernye-tekhnologii

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи