Аддитивный подход: как томские ученые осваивают 3D-принтинг

ТОМСК, 24 янв – РИА Томск. Печать на 3D-принтере и аддитивные технологии в целом становятся важной частью учебного и производственного процессов в университетах и на предприятиях. Эксперты томских и зарубежных вузов рассказали РИА Томск, как 3D-принтинг может изменить нашу жизнь.

По их мнению, мы все становимся свидетелями новой технической революции. Но до ее торжества еще далеко – аддитивные технологии только набирают обороты. Ранее сообщалось, что среднегодовой темп роста рынка 3D-печати с 2013 до 2020 года увеличится в 23%, что составит 8,41 миллиардов долларов США.

Аддитивные технологии (AМ – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза – это изготовление изделия путем добавления материалов. Они могут эффективно применяться в промышленности, медицине и любой другой сфере, где нужна сложная деталь в мелкосерийном исполнении. Например, имплантология с использованием 3D-печати может выйти на новый уровень и стать персонализированной.

Томская обитель 3D-печати

Центры аддитивных технологий открываются по всему миру. В минувшем году таким пополнился и Томский политехнический университет (ТПУ).

Установка, внешне напоминающая то ли холодильник с монитором, то ли шкаф, прозрачные контейнеры с порошком и пластиковыми гранулами. Оператор нажимает несколько кнопок, задает определенную команду, засыпает в специальные емкости гранулы и плотно закрывает дверь установки. Процесс 3D-печати в научно-образовательном центре "Современные производственные технологии" ТПУ начался.

"Это принтер, сплавляющий порошки. Он позволяет изготавливать детали и инструменты. Сплавление происходит под действием электронного пучка. Достигается хорошая однородность металла. У изделий, изготовленных этим способом, лучше свойства. Например, плотность получаемой структуры достигает 99,9 %. Установку собрали сами, дорабатываем управляющее программное обеспечение. Сейчас экспериментируем с различными материалами и сплавами, в том числе разработанными у нас в центре", – поясняет оператор оборудования.

Основная задача центра – сделать так, чтобы российские аддитивные технологии опережали мировой уровень и не зависели от зарубежных стран. Для этого "политехники" сами собирают 3D-принтеры и разрабатывают под них "расходники". Кстати, сами принтеры на 80% собраны из отечественных комплектующих.

Заместитель директора по научной работе Института физики высоких технологий ТПУ Кирилл Костиков объясняет: импортные установки "привязывают" пользователя к импортным расходным материалам. Использование порошков другого производителя может привести к потере гарантии. Кроме того, закрытое программное обеспечение не позволяет в принципе переходить на другие материалы. А это накладывает большие ограничения как для исследователей, так и для предприятий.

"Коллеги нам говорили, что сейчас проблема купить порошки за рубежом из-за санкций, да и стоимость их с учетом курса евро очень велика. И всем уже сейчас понятно, что внедрение аддитивных технологий в России невозможно без развития собственного производства установок, порошков, методов проектирования изделий и так далее", – говорит Костиков.

Поэтому Центр одним из своих приоритетов ставит создание собственных установок – от "железа" до программного обеспечения. И для этого сформирована команда, в которой есть и опытнейшие профессора, и молодежь – аспиранты, студенты.

Не все из принтеров в центре похожи, грубо говоря, на шкаф – есть и более мелкие "станки", напоминающие традиционные печатные устройства. Костиков показывает: на этой установке ученые работают над печатью медицинских имплантатов из титановых сплавов, а из этих деталей "политехники" собирают абсолютно новый 3D-принтер.

Специалист пытается доступно объяснить принцип работы сложных устройств: "Принтер будет продавливать полимерную массу, как в мясорубке. Внутри полимерной массы будет находиться углеродное волокно, которое позволяет поднять кратно прочность этого полимера. Можно будет печатать изделия сложной формы, скажем, с пустотами внутри".

К слову, под печатью в аддитивных технологиях понимается плавление, электронно-лучевое спекание порошков, накладывание пластика, послойное склеивание расходного материала и другие технологии. Для каждой необходим отдельный 3D-принтер и специальные материалы.

Установки, создаваемые и используемые политехниками, нужны для получения изделий сложной формы, которые требуются для авиастроения, военной техники, космических аппаратов.

"В авиастроении используются так называемые трехслойные структуры, когда наружная часть сделана из прочного материала, внутренняя – пористая. За счет этого материал получается прочным, но легким. На установке такие структуры можно будет создавать не методом склейки, а посредством печати", – поясняет Костиков.

По его мнению, аддитивные технологии заслуженно называют революционными – они дают изделия таких форм и с такими свойствами, которых невозможно достичь традиционным производством.

"Центр позволит России не отставать в этой революции. Мы отказались от покупки импортного оборудования и идем другим путем – создаем свои установки, подбираем режимы их работы, вникаем в нюансы", – говорит ученый.

Фантастические проекты

В январе 2016 года федеральные СМИ сообщили, что ученые из Томска и Москвы планируют создать к 2018 году первый отечественный 3D-принтер, который смог бы работать в невесомости. Такая техника могла бы обеспечить необходимыми инструментами космонавтов Международной космической станции (МКС).

Есть в мире и другие, на первый взгляд, фантастические идеи для аддитивных технологий. Так, периодически в СМИ появляются заявления тех или иных ученых, что современной науке под силу решить задачу 3D-печати органов человека, в том числе сердца.

Впрочем, так думают не все эксперты.

"Сегодня уже делают те или другие имплантаты, и они уже применяются в медицине. А что касается мягких тканей, думаю, это займет время. Сердце человека – не просто насос. Как показывают многие современные исследования, это второй разум. Не думаю, что это будет легко заменить (с помощью аддитивных технологий)", – поделился своим мнением доктор наук Наум Травицкий (Университет Эрлангена-Нюрнберга, Германия), принявший участие в конференции ТПУ по аддитивным технологиям.

Имплантат или кость?

Иначе обстоят дела с имплантатами. Один из участников конференции ТПУ по аддитивным технологиям, доцент Университета Центральной Швеции Андрей Коптюг рассказал РИА Томск, что печать имплантатов на 3D-принтере – это будущее имплантологии.

"Стандартные имплантаты – твердые стержни и пластины. Твердых костей в организме очень мало. Они губчатые. Аддитивные технологии позволяют без проблем сделать губчатые секции в имплантатах. Более того губчатую структуру аддитивными технологиями можно сделать быстрее и дешевле, чем твердую, потому что материала используется меньше и машина меньше работает", – пояснил он.

"Делать имплантаты, где есть губчатые структуры – это считается будущим импланталогии. Там кровеносные сосуды могут врастать, кость может врастать, они (имплантаты) держатся лучше. Но поверхность нужно активировать. Активировать поверхность сеток очень тяжело. Реально никто пока это делать толком не умеет", – продолжил Копюг.

По словам ученого, томичи сделали в этом направлении прорыв: политехники разработали метод обработки напечатанных на 3D-принтере имплантатов, который "маскирует" их под человеческую кость. "У нас есть совместный проект. Уже есть очень серьезные результаты. Они какие-то фантастические", – сказал он.

Как рассказал РИА Томск начальник Центра технологии кафедры экспериментальной физики Физико-технического института ТПУ Роман Сурменев, имплантаты печатаются в Швеции на 3D-принтере методом электронно-лучевого плавления. Томичи наносят на них по своей технологии кальций-фосфатное покрытие. В результате имплантат получается максимально похожим по своим свойствам на человеческую кость.

Испытания обработанных имплантатов прошли в Центральном московском научно-исследовательском центре травматологии и ортопедии. Титан-ниобиевые диски с томским напылением вживили лабораторным животным. Итоги эксперимента показали высокую скорость регенерации костной ткани.

3D для студентов

Студенты Института кибернетики ТПУ изучают перспективное направление – 3D-принтинг – на практике. Так, группа молодых ученых напечатала манипулятор в форме руки, который управляется с помощью сенсорной перчатки.

"Манипулятор может сжимать и разжимать кисть, захватывать предметы при помощи системы телеуправления. Оператор может удаленно управлять рукой – надевает перчатку на свою руку и управляет, как своей кистью", – рассказал РИА Томск лаборант кафедры института Егор Шеломенцев.

Он подчеркнул, что это образовательный проект, который позволяет студентам познакомиться с основами аддитивных технологий: манипулятор напечатан на 3D-принтере из расходных материалов, созданных в ТПУ. Эта разработка в перспективе может использоваться в качестве тренажера для восстановления мышечной активности после инсульта.

В Томске надеются, что аддитивные технологии и проекты, связанные с ними, внесут свой вклад в развитие высокотехнологичных изделий для медицины.