Перспективы развития рынка 3D-печати: модернизация, скорость и новые материалы
Иллюстрация: Shutterstock / Andrey Suslov
(Окончание. Начало в IT New №4/2024)
Несмотря на то, что Россия самостоятельно производит как полноценные промышленные и бытовые 3D-принтеры, так и материалы для них, по некоторым направлениям сохраняется зависимость от импорта. Насколько критична доля импортных материалов, необходимых для поддержания высоких темпов развития рынка 3D-печати? Какие материалы производятся в России в достаточном количестве, а каких не хватает? Какие новые достойные материалы появились у нас за последние несколько лет?
Сопротивление материалов
Гендиректор ГК «АМТ» Александр МАСЛОВ отмечает, что с течением времени заводы сухих смесей начали серийно производить смеси специально для строительной 3D-печати. Как правило, это бетоны марки М300-М350. Но производятся и составы с более высокими показателями прочности на сжатие и гидрофобности – марок В40-В70. В удаленных регионах, где количество принтеров пока измеряется единицами, бетоны для печати подбираются на основе базовых технических регламентов – из местных нерудных и вяжущих материалов, затем сертифицируются и запускаются в производство ограниченными партиями, рассказывает г-н Маслов. В 2023 году ориентировочный объем только серийно произведенных в России строительных бетонов составил 2,5-3 тыс. тонн. Специализированные бетоны для печати за пределами России производятся также в США, Германии, ОАЭ и многих других странах.
Гендиректор компании 3DVision Илья ВИНОГРАДОВ согласен с коллегами, что основной дефицит материалов для 3D-печати в России сейчас приходится на специфические материалы для FDM-технологии, например различные модификации PEI, керамонаполненные фотополимеры для SLA-технологии, а также порошки для SLS-технологии. Действительно, в России только начинается производство подобных материалов и в любом случае требует компонентов иностранного производства. Но, как считает г-н Виноградов, есть и положительные моменты: например, все базовые материалы для той же FDM-технологии уже производятся в России, в наличии огромное количество металлических порошков, в том числе не имеющих аналогов в мире.
Новые материалы
Александр МАСЛОВ («АМТ») подчеркивает, что специализированные смеси разрабатываются реже и в основном под конкретные проекты. Помимо прочего, в области строительной 3D-печати растет интерес к глине, поскольку во многих регионах она является одним из основных материалов для строительства жилья. Быстро увеличивается и ассортимент материалов для заливки напечатанной опалубки, являющихся сопутствующими в аддитивной технологии. Пористые и легкие бетоны, полистиролбетоны, арболиты, бетоны с содержанием пеностекла — далеко не полный перечень материалов для аддитивного производства, активно адаптируемых для этой технологии, уточняет г-н Маслов.
Илья ВИНОГРАДОВ (3DVision») отмечает, что спрос на замену и модернизацию высоконагруженных изделий в авиационной и автомобильной промышленности подталкивает производителей порошков к разработке все большего количества аналогичных материалов для аддитивного производства. Используя разные, но похожие по своим характеристикам сплавы, производители получают неограниченные возможности по их оптимизации за счет снижения веса, добавления дополнительных каналов охлаждения и т. д., что в итоге позволяет увеличить срок службы конечных изделий и снизить эксплуатационные расходы.
Руководитель отдела маркетинга и рекламы компании «Цветной мир» Наталья МУРОМЦЕВА отмечает, что все большее внимание получают биоразлагаемые полимеры и композиты, поскольку они позволяют разрабатывать экологически безопасные и устойчивые к разложению изделия. Это особенно актуально для упаковочных материалов и в медицине. Для металлической 3D-печати разрабатываются новые сплавы, что позволяет создавать более прочные и долговечные детали. Керамические материалы также становятся более популярными в 3D-печати, особенно в области создания сложных геометрических форм. Кроме того, разрабатываются материалы с улучшенными теплоотводными свойствами, что позволяет снизить риск деформации деталей в процессе печати. Наконец, разработаны материалы, способные проводить электричество, что открывает новые возможности для печати функциональных электронных устройств. Как говорит г-жа Муромцева, это лишь несколько примеров новых материалов для 3D-печати, их разнообразие продолжает расширяться с развитием технологий и расширением научных исследований.
Модернизация и скорость
Скорость 3D-печати – один из ключевых параметров, на который обращают внимание и разработчики, и заказчики при создании и приобретении этих устройств. За счет чего удается увеличивать скорость 3D-печати сегодня? Можно ли говорить о том, что мы уперлись в некий технологический предел и есть ли он в принципе?
Александр МАСЛОВ («АМТ») напоминает, что 3D-печать абсолютно во всех отраслях, будь то печать пластиком, металлом, бетоном и т. д., — это работа принтера в определенном технологическом режиме, это температура, скорость и много других параметров. Невозможно кардинально изменить что-либо, в том числе и скорость печати. Поэтому производительность принтера увеличивают за счет времени работы: если надо напечатать дом не за четыре дня, а за два, то его необходимо нарастить вдвое, то есть добавить вторую смену.
Специалист по аддитивным технологиям в компании «Импринта» Артём БАБАКЕХЯН рассказывает, что увеличение скорости 3D-печати достигается за счет применения нескольких ключевых технологических решений. Во-первых, это электроника с высокой вычислительной мощностью. Современные 3D-принтеры используют микроконтроллеры для управления всеми аспектами печати, это позволяет оптимизировать работу 3D-принтера, управлять множеством двигателей и датчиков, а также обеспечивать точное и стабильное выполнение печатных операций. Во-вторых, это высокотоковые драйверы шаговых двигателей, которые используются для увеличения скорости перемещения печатной головки и других подвижных элементов принтера. Это сокращает время, необходимое для завершения печати. В-третьих, скорость можно увеличить за счет оптимизации и/или модернизации кинематических систем принтеров, которые способствуют более плавному и эффективному перемещению печатной головки и других осей, в том числе за счет использования более продвинутых механизмов. В-четвертых, использование экструдеров (элементов, ответственных за нанесение материала) на базе современных технических решений с более эффективными системами подачи материалов.
Дмитрий ТРУБАШЕВСКИЙ (i3D) перечисляет способы ускорения 3D-печати: 1) увеличение количества лазеров для LB-PBF/SLS/SLA; 2) установка матриц с более высоким разрешением для LCD; 3) установка большего количества пьезоэлектрических головок для BJ; 4) улучшение механики FFF-принтеров (до 600 и более мм/сек); 5) установка ЭЛТ более высокой мощности для EB-PBF; 6) совмещение WAAM- и PAW-источников, подача двух и более проволок.
Илья ВИНОГРАДОВ (3DVision) считает, что дискуссиям по этому вопросу можно посвятить отдельную статью, так как принципы увеличения скорости 3D-печати для каждой технологии индивидуальны и нет универсального решения. Если тезисно говорить про мировые тенденции, то для FDM-технологии сейчас применяется аппаратное обновление экструдеров, а также увеличение скорости их перемещения за счет программных расчетов компенсации ускорения и вибрации вкупе со специальными, «быстрыми» материалами, которые гораздо быстрее базовых переходят в твердое состояние. Для фотополимерной печати также используются «быстрые» материалы, где полимеризация слоя происходит всего за несколько секунд, рассказывает г-н Виноградов. В свою очередь, тенденции для технологии лазерного плавления заключаются в увеличении слоя печати с полным контролем каждого слоя на отсутствие пористости. При небольшом снижении качества печатаемой поверхности можно говорить о многократном увеличении скорости, ведь в любом случае необходимые прецизионные зоны деталей всегда дорабатываются на ЧПУ-станках, заключает он.
Наталья МУРОМЦЕВА («Цветной мир») поясняет, что увеличение скорости происходит за счет целого комплекса доработок оборудования. Например, используются более легкий и производительный экструдер, алгоритм активного подавления вибраций при печати, более точные и мощные двигатели и системы перемещения печатающей головки, а также материалы с повышенной текучестью и низкой теплоемкостью для равномерного плавления. Это позволяет избежать засорения сопла и добиться безукоризненного качества изделий при печати даже на высокой скорости. Очень важны улучшенные программные решения, резюмирует г-жа Муромцева.
Необычные направления
Особый интерес вызывают необычные направления развития 3D-печати, например печать зданий, биопечать тканей и органов, печать электронных комплектующих. В России довольно активно развивается строительная 3D-печать, о чем в первой части обзора уже рассказывал Александр МАСЛОВ («АМТ»), руководитель одной из наиболее успешных российских компаний в области серийного производства строительных 3D-принтеров.
Артём БАБАКЕХЯН («Импринта») напоминает, что технология печати зданий, также известная как контурная печать, или аддитивное строительство позволяют создавать здания и конструкции слой за слоем с использованием различных строительных материалов. Одним из ключевых преимуществ этого подхода является возможность создания уникальных форм и дизайнов, которые может быть сложно или дорого производить с помощью традиционных методов строительства. Сегодня технология печати зданий успешно используется для создания прототипов, модульных строений и экспериментальных архитектурных конструкций.
Технология строительной 3D-печати уже вышла далеко за рамки экспериментальной. По словам Александра МАСЛОВА («АМТ»), напечатанные здания перестали быть «пилотами» – теперь их реально используют по назначению: по завершении строительства ставят на кадастровый учет и в этих домах прописываются и живут люди.
Применение принтеров в строительстве растет кратными темпами, всё больше строительных компаний обращают внимание на эту технологию. Как говорит Наталья МУРОМЦЕВА («Цветной мир»), в России как минимум несколько производителей выпускают промышленные 3D-принтеры для печати зданий или элементов дизайна из бетона. В перспективе активное внедрение этой технологии во всем мире ускорит процессы строительства, уменьшит его стоимость и в итоге решит проблему с нехваткой доступного жилья.
По словам Дмитрия ТРУБАШЕВСКОГО (i3D), строительная 3D-печать и биопечать в России развивается на уровне глобальных брендов, хотя до массового потребления всё еще далеко. При этом в развитие биопечати в ее текущем виде он не верит, зато отмечает перспективы MedBed-направления («умные» медицинские кровати). Что касается 3D-печати электроники, то эта область, по его мнению, пока что совершенно не развита.
В 3D-биопечати предполагается использование живых клеток и биосовместимых материалов для создания тканей и органов. Как говорит Артём БАБАКЕХЯН («Импринта»), одна из основных проблем в этой области – обеспечение правильной архитектуры и питания для живых клеток во время процесса печати, чтобы обеспечить их выживаемость и функциональность после пересадки. В свою очередь, печать полноценных функциональных органов по-прежнему находится на ранних стадиях исследований: многие ученые и компании работают над улучшением технологий и методов в этой сфере.
Артём БАБАКЕХЯН («Импринта») отмечает, что на данный момент уже существуют 3D-принтеры, способные «наращивать» электронные платы. К тому же немалое количество компаний, в том числе российских, занимаются разработкой подобных устройств.
Прогноз на ближайшее будущее
Александр МАСЛОВ («АМТ») отмечает, что концепция «Индустрии 4.0» включает в себя такой важный сектор развития экономики, как аддитивные технологии. Сегодня всё больше строительных компаний стремятся внедрять новые технологии, существенно сокращая сроки строительства и затраты. Этот рынок стремительно вырос за последние годы, появляется всё больше компаний, которые специализируются на контрактной печати и производстве строительных принтеров. Россия лидирует в создании нормативно-законодательной базы в области аддитивного производства. Кроме того, именно в России серийно выпускается абсолютное большинство строительных 3D-принтеров, подчеркивает г-н Маслов.
По словам Ильи ВИНОГРАДОВА (3DVision), не стоит ждать каких-то прорывных технологий на аддитивном рынке России в ближайшие годы, но технологии, которые уже давно успешно зарекомендовали себя в зарубежных странах, будут активно интегрироваться во все отрасли промышленности. Образовательное направление также развивается активно, и уже сложно себе представить класс информатики в школе без хотя бы пары 3D-принтеров. Высшие учебные заведения создают на своей базе ЦАТ начального уровня, давая возможность студентам проводить различного вида НИОКР и в принципе уже получать хороший опыт работы на современном оборудовании. Кроме того, добавляет г-н Виноградов, сейчас сложно представить КБ, который не использует технологии 3D-сканирования с последующим тестированием новой продукции с помощью 3D-печати.
Наталья МУРОМЦЕВА («Цветной мир») уверена, что с появлением новых материалов, методов и технологий 3D-печать будет всё активнее внедряться не только в промышленности. Ожидается увеличение числа полноценных ферм 3D-печати с постоянно расширяющимся парком принтеров. А также ферм, которые будут оказывать услуги 3D-печати, и локальных ферм в рамках одного предприятия, которые, возможно, даже вытеснят традиционные способы производства. С развитием биопринтинга и других нестандартных технологий будут созданы совершенно новые направления применения 3D-печати, заключает г-жа Муромцева.
Опубликовано 21.03.2024