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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
