Воскресенье 23 января 2022
Западно-Байкальской межрайонной природоохранной прокуратурой организована проверка по факту...
С 17 по 19 января филиал РТРС «РТПЦ Республики Бурятия» будет проводить плановые профилактические...
Удивительно, как перевоплощаются депутаты Народного Хурала в простых и добродушных Дедов Морозов,...

О разработках в области лазерной стереолитографии в Бурятии 

В.Ф. БУРДУКОВСКИЙ, в.н.с., д.х.н., Б.Ч. ХОЛХОЕВ, с.н.с., к.х.н.,
О.С. КОРКУНОВА, инж., аспирант З.А. МАТВЕЕВ, инж., магистрант   

Развитие человечества насчитывает как минимум три крупных качественных скачка в производственных силах и в структуре общества, вошедших в историю как промышленные революции.

Первая, начавшаяся в середине XVIII века, привела к переходу от аграрного общества к промышленному, а продолжающаяся научно-техническая революция порождает все новые и новые технологии, материалы, машины и ведет к переходу от промышленного общества к сервисному. Появление сегодня в нашей жизни целого комплекса, как сейчас принято говорить, технологических прорывов (способы накопления и хранения информации, искусственный интеллект, интернет, квантовые вычисления, роботизация, нанои биотехнологии, новейшие материалы и аддитивные технологии.) позволяют утверждать о том, что началась уже четвертая промышленная революция.

Рис. 1. Распределение количества статей, посвященных технологиям 3D-печати, по годам, согласно базе данных Webof Science Core Collection

Аддитивные технологии, или 3D-печать — часть технологического прорыва четвертой промышленной революции, которая появилась задолго до своего технического воплощения. Концепт устройства, заключающегося в последовательном «наращивании» материала слой за слоем в соответствии с цифровой моделью изготавливаемого изделия, можно встретить в произведениях известных писателей-фантастов еще на заре середины ХХ века. Но вымыслу суждено было стать реальностью в 1984 году, когда Чак Халл подал заявку на патент устройства для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии. Затем долгое время 3D-принтеры оставались исключительно уделом узкопрофильных специалистов, работающих над конструированием различных объектов: архитекторов, врачей, дизайнеров, инженеров и т. д. Но сегодня, когда преимущества и перспективы 3D-печати стали очевидны и понятны практически каждому обывателю, технология врывается в нашу жизнь. Так, в недалеком будущем 3D-принтеры станут неотъемлемой частью нашей повседневной жизни, с помощью которых можно будет в домашних условиях проектировать и изготавливать игрушки, украшения, посуду, различные детали и т. д. А на специализированных предприятиях можно будет изготавливать различные высокотехнологичные детали и даже «выращивать» человеческие органы.

Вполне естественно, что все это стало и станет результатом работы ученых по всему миру. Согласно одной из крупнейших баз данных – Web of Science Core Collection (рис. 1), видно, как стремительно, особенно за последние пять лет, с постоянным обновлением годового максимума растет число научных публикаций.

Причем деятельность ученых, работающих в области 3D-печати, можно разделить на два больших направления: первое – связанное с разработкой технических устройств, второе — с разработкой материалов, используемых ими для изготовления конкретного изделия с заданным комплексом свойств. Широко используются металлы и их сплавы, бумага, глина, но и, конечно, полимеры. Лаборатория химии полимеров Байкальского института природопользования СО РАН, имея более чем полувековую историю, а также огромный опыт в получении, модификации и анализе разнообразных полимеров, не могла остаться в стороне и активно включилась в это очень конкурентное и динамично развивающееся направление. Среди большого разнообразия технологических решений по созданию 3D-объектов, наиболее распространенными из которых являются селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS), электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting (EBM), моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling (FDM), лазерная стереолитография (Laser Stereolithography (SLA) и близкая к ней технология DLP (Digital Light Processing), сферами наших научных интересов стали два последних.

SLA и DLP – основаны на формировании объекта из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного и светодиодного излучения соответственно (рис. 2). При этом, как и в любых других технологиях 3D-печати, объект формируется послойно. Однако в этом случае толщина слоя составляет всего несколько десятков микрон, что позволяет воспроизводить компьютерные модели с высокой точностью и разрешением. С помощью этих технологий можно  создавать мельчайшие детали, получение которых другими методами 3D-печати невозможно.

В основе получения изделия, то есть перехода из жидкого агрегатного состояния в твердое, лежит процесс фотоинициированной полимеризации. С химической точки зрения полимеризация представляет собой процесс образования высокомолекулярного вещества (полимера) путем многократного присоединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера). При этом, как правило, полимеризации подвергаются вещества, содержащие в своем составе двойные углеродуглеродные связи. Этим методом получают такие хорошо нам известные полимеры, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полиметилметакрилат, без которых нашу сегодняшнюю жизнь невозможно представить.

В технологиях SLA и DLP для создания различных объектов используется фотополимерная композиция, которая представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из ненасыщенных мономеров и/или олигомеров, фотоинициатора, который запускает процесс полимеризации, различных технологических добавок и при необходимости растворителя.

 Рис. 2. Схема формирования 3D-объектов по технологии SLA

В настоящее время технологии находят все более широкое практическое применение. Чрезвычайно важно, что 3D-печать в целом и SLA в частности позволят легко получать кастомизированные (штучные) изделия, что особенно важно в медицине для производства имплантатов, протезов, ушных аппаратов и др. Также много примеров использования этих технологий в энергетике, автомобильной и пищевой промышленности, архитектуре/ дизайне, машиностроении и т.п. для получения конкретных деталей. Однако области их применения обычно ограничиваются созданием изделий, эксплуатируемых в сравнительно мягких условиях, например воздуховодов, кронштейнов, зажимов, корпусных деталей и т.д. Это, прежде всего, обусловлено тем, что на рынке имеется лишь ограниченный круг фотополимеров, которые представляют собой различные (мет)акрилированные производные, содержащие алифатические звенья, поэтому получаемые изделия на их основе обладают сравнительно низкой термостойкостью и механическими свойствами.

С этих позиций большой интерес представляет группа так называемых термостойких полимеров, которые характеризуются выдающимся комплексом свойств, таким как высокие теплои термостойкость (вплоть до 500°С), механическая прочность и жесткость в широком температурном диапазоне, огнестойкость, стойкость к излучению с высокой энергией. Примерами таких полимеров являются ароматические полиамиды, полиимиды, полибензимидазолы. Материалы на основе таких полимеров используются для создания бронежилетов, элементов микроэлектроники, костюмов пожарных и космонавтов, а также различных деталей, применяемых в авиаи автомобилестроении, нефтедобыче, ядерной промышленности и др. Однако представленные полимеры непригодны для использования в качестве фотополимеров в технологиях SLA и DLP, поскольку не содержат активных углерод-углеродных связей, которые, как указывалось ранее, необходимы для протекания реакции полимеризации.

Рис. 3. Модифицированные термостойкие полимеры, используемые в составе жидких фотополимерных композиций

На решение этой важной, как с практической, так и с фундаментальной точки зрения, проблемы направлены наши исследования. В частности, нами был осуществлен синтез оригинальных ароматических полиамидов, полиимидов и полибензимидазолов, содержащих реакционноспособные (мет)акриламидные или аллильные группы (рис. 3), на основе которых совместно с коллегами из Института фотонных технологий Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН впервые получены новые фотополимерные композиции, пригодные для использования в технологиях SLA и DLP.

Были изучены различные режимы 3D-печати методом SLA. В частности, показано, что варьированием условий печати возможно формирование изделий, существенно отличающихся по термическим и механическим характеристикам. Более того, свойства материалов можно направленно регулировать, изменяя состав фотополимерной композиции. Таким образом, открывается возможность создавать изделия исходя из их практического применения. Необходимо также отметить, что полученные материалы существенно превосходят все известные фотополимерные композиции по стойкости к термическому воздействию: термостойкость создаваемых объектов превышает 400°C.

Рис. 4. Примеры компьютерных и напечатанных моделей, полученных с использованием фотополимерных композиций на основе термостойких полимеров

На основе разработанных материалов и установленных технологических особенностей 3D-печати был получен ряд изделий приборостроения. На рис. 4 представлены примеры подобных компьютерных моделей, а также соответствующие трехмерные структуры, полученные на основе разработанных фотополимерных композиций. Как видно из представленных данных, трехмерные объекты полностью соответствуют заданным компьютерным моделям и, подобно изученным тестовым структурам, имеют высокие физико-механические и термические характеристики. На рис. 5 приведены фотографии различных изделий приборостроения.

Рис. 5. Примеры полученных изделий

На рис. 6 представлены оригинальные шестерни, используемые в термопринтерах платежных терминалов, а также структура, сформированная методом SLA. Деталь эксплуатируется в условиях усталостного напряжения, поэтому модель имеет срок эксплуатации не более 6 месяцев, при этом она, несмотря на кажущуюся простоту, является чрезвычайно труднодоступной, поскольку подобные терминалы производятся в Европе. С использованием разработанных подходов нами сформированы соответствующие трехмерные структуры, при этом благодаря использованию оригинальных полимерных материалов удалось увеличить срок эксплуатации более чем в два раза.

Рис. 6. Оригинальная шестерня и структура, сформированная на основе разработанной фотополимерной композиции

Большим достижением нашего коллектива также является впервые разработанная фотополимерная композиция для получения теплои термостойких изделий, обладающих эффектом памяти формы, так называемая технология 4D-печати. Четвертое измерение относится ко времени, что предполагает изменение формы 3D-печатных объектов с течением времени при изменении внешних условий (чаще всего температуры). Другими словами, разница между композициями для 3D-печати и 4D-печати заключается в том, что вторые являются динамическими структурами, а не статическими, как в первом случае.

Рис. 7. Демонстрация эффекта памяти формы изделий на основе разработанной фотополимерной композиции

На рис. 7 представлено изделие в виде «пасти крокодила», которое может использоваться как захват. При повышении температуры с последующим охлаждением захват может зажимать и удерживать стальной шарик диаметром 10 мм, масса которого в 5 раз больше массы захвата. Подобные материалы чрезвычайно перспективны для аэрокосмической отрасли и робототехники.

Таким образом, разработки лаборатории в области полимерного материаловедения для 3D-печати соответствуют самым современным трендам, а также имеют большой потенциал применения в различных отраслях промышленности, поскольку позволяют создавать 3D-детали сложной геометрической формы, обладающие небольшим весом, высокой термостойкостью, прочностью и эффектом памяти формы.   

Более 2 тыс. человек посетителей приняли за сезон в Фролихинском заказнике.
Начато строительство современного комплекса, соответствующего всем экологическим требованиям.
ИЗВЕСТНОМУ УЧЕНОМУ, ГЕОГРАФУ СИБИРИ, доктору географических наук, профессору Анатолию Борисовичу...
Байкал наполовину чист, или…
К участию приглашаются некоммерческие организации, государственные и муниципальные учреждений в...
Начиная с XVIII века, буддизм становится основной религией тункинских бурят. Первый буддийский...
Забайкальский национальный парк 12 сентября отметил свое 35-летие. Он был создан по инициативе...
ЕЩЕ СОВСЕМ НЕДАВНО АЛДАР ДОРЖИЕВ, будучи директором национального парка «Тункинский», болел всей...
Я бы сравнила этого человека с сибирской лиственницей: по крепости своей он никому не уступит,...
Получить льготный заем на жилье могут две категории: молодые семьи и участники программы...
Тункинская долина, овеянная древними легендами и сказаниями, – место мистическое и сакральное....
Почти пятьдесят лет он живет заботой о «своих лесных владениях».
27 – 29 ОКТЯБРЯ В ИРКУТСКЕ СОСТОЯЛИСЬ 2-Е...
САГААЛХА – 2022
ДАТА ПРОВЕДЕНИЯ КРУГЛОГО СТОЛА «НАУЧНЫЙ...
ИЗВЕСТНОМУ УЧЕНОМУ, ГЕОГРАФУ СИБИРИ, доктору...
10 НОЯБРЯ В РАМКАХ МЕРОПРИЯТИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ДНЮ...
Так и хочется написать: ученые «фестивалили» три...
Байкал наполовину чист, или…
О визите руководства Российской академии наук в...
Западно-Байкальской межрайонной природоохранной...
С 17 по 19 января филиал РТРС «РТПЦ Республики...
Празднование юбилея, визит академиков РАН,...
Я бы сравнила этого человека с сибирской...
Более 2 тыс. человек посетителей приняли за...
Забайкальский национальный парк 12 сентября...
Начато строительство современного комплекса,...
ЕЩЕ СОВСЕМ НЕДАВНО АЛДАР ДОРЖИЕВ, будучи...
Удивительно, как перевоплощаются депутаты...
Бюджет Бурятии достиг рекордного уровня,...
VI ВОСТОЧНЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ФОРУМ, который...
Международный проект Содружества Независимых...
Северобайкальским межрайонным природоохранным...
АО «Хиагда» вошло в тройку лучших предприятий...
Обязательную вакцинацию от коронавируса для...
Центр управления регионом провел социологическое...
Указом Президента Российской Федерации «О...
Забайкальская межрайонная природоохранная...
Решением Кяхтинского районного суда Республики...
Северобайкальской межрайонной природоохранной...
По требованию природоохранной прокуратуры...
Участие в Совете приняли руководители научных...
К участию приглашаются некоммерческие...
В Байкальской межрегиональной природоохранной...
В Иркутской области после вмешательства...
В северной части Байкальской природной...
В Республике Бурятия благодаря вмешательству...
В Республике Бурятия благодаря вмешательству...
Прокурор пресек загрязнение окружающей среды в...
По требованию Усть-Илимского межрайонного...
В Иркутской области благодаря вмешательству...
Ангарской межрайонной природоохранной...
По иску Забайкальского межрайонного...
Северобайкальской межрайонной природоохранной...
04 октября в г. Москва прошла Стратегическая...
Западно-Байкальской межрайонной природоохранной...
8 августа 2021 г. в местности Тужи Хилоксакого...
Напомним, с начала июля Республика Бурятия...
По иску Ангарского межрайонного природоохранного...
В Байкальской межрегиональной природоохранной...
Братской межрайонной природоохранной...
По настоянию природоохранной прокуратуры...
По требованию прокурора министерство лесного...
По требованию природоохранной прокуратуры с...
По требованию Ольхонского межрайонного...
Прокурор выступил в защиту прав неопределенного...
В Иркутской области благодаря вмешательству...
В рамках туристского проекта Недели туризма на...
В Иркутской области после вмешательства...
В рамках Всероссийского дня приема...
Почти пятьдесят лет он живет заботой о «своих...
Начиная с XVIII века, буддизм становится...
Тункинская долина, овеянная древними легендами и...
Северобайкальской межрайонной природоохранной...
В 2021 году День озера Байкала отмечается в...
По настоянию прокурора в государственную...
Одним из приоритетных направлений работы...
История Тункинской долины тесно связана с...
Несмотря на то, что люди начали осваивать...
Тункинская долина – это продолжение байкальской...
Благодаря вмешательству природоохранной...
Тункинская долина, которую часто называют...
В Байкальской межрегиональной природоохранной...
По требованию природоохранного прокурора в...
По материалам природоохранной прокуратуры...
Этот вопрос мы задали тем, кто пришел сюда...
В Байкальской межрегиональной природоохранной...
Прокуратура потребовала от дирекции...
Усть-Илимская межрайонная природоохранная...
В 1975 году М. В. Мохосоев был назначен...
Обширная акватория нашей Республики Бурятия...
Надежность машин и оборудования, имеющих узлы...
О разработках в области лазерной...
С 1979 по 2013 год лабораторию исследования...
Первые ученые-химики Бурятии, кандидаты...
ПОЛЫНЬ ШИРОКО РАСПРОСТРАНЕНА в Северном...
В июле Издательский дом "Экос" выпустил 2...
Правительство России до конца года оценит...
Президент РФ Владимир Путин в рамках заседания...
Не стало Николая Петровича Холодова…Этого...
В ходе длительного многомиллионного периода...
Сегодня главное научное направление лаборатории,...
Проблема доступной чистой воды стала одним из...
В Республике Бурятия, располагающей запасами...
Создание основ экологически устойчивого...
Научные исследования в области рекреационного...
Самостоятельный отдел социально-экономических...
на правах рекламы