3D-печать – полная противоположность традиционным методам обработки материалов, таким, как фрезерование и точение, когда обработка заключается в удалении лишней части заготовки. Эта технология работает по-другому: материал наносится слой за слоем и получается нужная форма. Это позволяет создать эксклюзивный продукт: как детали со сложным контуром, например, лопатки турбин, так и более экзотичные вещи: жилые дома, пищевые продукты и даже человеческие органы для трансплантации.
Как появилась технология
3D-печать (аддитивная технология) считается новой, хотя на самом деле ее история насчитывает 150 лет. Впервые разделить модель на слои, чтобы затем воссоздать из них целый объемный объект, придумали в картографии и фотоскульптуре.
Фотоскульптура – это 3D-воспроизведение людей, животных и предметов по серии фотографий, которые используются как фотопроекции при создании трехмерного объекта. Первую стереолитографическую машину изготовила в 1986 г. американская компания «3D Systems». Этот аппарат мог послойно выращивать модель из отверждаемой полимерной смолы по фото. Она использовалась для быстрого и дешевого производства трехмерных моделей.
С тех пор эта технология шагнула далеко вперед, теперь уже в область ракетостроения и нанотехнологий. Так, 8 апреля 2023 г. американский производитель «Nano3Dprint» представил модель 3D-принтера D4200S, которая позволяет печатать в диапазоне от 20 нм до 250 мкм и обеспечивает максимальную точность позиционирования менее 1 нанометра.
Дома, напечатанные на 3D-принтере
Первый жилой дом в Европе, напечатанный на 3D-принтере, появился в 2017 г. в Ярославле. Стены здания были изготовлены еще в 2015 г. за 1 месяц, а летом 2017 г. было завершено строительство крыши и отделочные работы. Проект претворила в жизнь российская компания «АМТ» – резидент фонда «Сколково» и первая организация в РФ, наладившая серийный выпуск строительных 3D-принтеров.
Компании «АМТ» принадлежит и один из мировых рекордов – первый 3D-фонтан, а вернее, реконструкция фонтана «Сноп» в парке у Крестовоздвиженского собора в г. Палех. Фонтан был создан советским скульптором Николаем Дыдыкином в середине XX века. Парапет фонтана поменяли на круглую форму и напечатали на 3D-принтере. Его диаметр составляет 26 метров.
А в 2021 году началась массовая печать домов – это будут целые коттеджные поселки, которые появятся в Татарстане, Калмыкии и Краснодарском крае.
Строительный принтер «печатает» контуры стен (они могут быть самой разнообразной формы). Стены используются в качестве опалубки, внутрь которой заливают пенобетон. Фактурную поверхность стен снаружи можно оставить как есть или закрыть отделкой. Стоимость таких домов с чистовой отделкой примерно на 10% ниже по сравнению с аналогичными железобетонными домами.
К достоинствам 3D-технологии строительства можно отнести минимум рабочей силы, короткие сроки – двое рабочих могут возвести стены за 7 дней, отсутствие отходов и снижение травматизма.
3D-печать хорошо подходит и для изготовления малых архитектурных форм, например, оригинальных скамеек. Всего за несколько часов дизайнер может получить нужную архитектурную модель, в то время как традиционная технология потребует 2-3 месяца.
Тканевая инженерия
Каждый год в мире проводится около 4 миллионов операций, для которых нужны костные имплантаты. Они замещают дефекты костной ткани, которые возникают у людей в результате получения травмы, инфекционных болезней, заболеваний опорно-двигательного аппарата, опухолей.
Благодаря 3D-принтерам можно быстро напечатать имплантат по индивидуальным меркам. А имплантаты, сделанные из биокерамики, обладают большей совместимостью и крайне редко отторгаются организмом, по сравнению с другими видами материалов. При изготовлении таких «запчастей» можно регулировать размеры и геометрию пор, шероховатость поверхности, максимально имитируя настоящую костную ткань.
В качестве биокерамики используют гидроксиапатит – фосфат кальция, на долю которого приходится большинство неорганических компонентов костной ткани (70% по весу человеческих костей), а также трикальцийфосфат и циркониевую керамику.
«Печатать» можно не только кости, но и мягкие ткани. В 2019 г. в онкологическом институте имени П.А. Герцена был проведен уникальный эксперимент: прямо во время операции на кожной ране напечатали «заплатку». В качестве «чернил» использовался специальный коллагеновый материал. Исследование проводилось на крысах, но это первый шаг по использованию биопечати для людей.
От тканей – к органам
В 2022 году впервые в мире человеку пересадили орган, напечатанный на 3D-принтере. Пока это только имплантат ушной раковины, который был сделан из небольшого кусочка хряща самой пациентки и биочернил, то есть операция носила больше косметический характер. Его изготовили в американской компании «3DBio Therapeutics».
В России в 2017 году копания «3D Bioprinting Solution» разработала новый тип биопринтера, использующего технологию магнитной левитации. Благодаря ей микроткани и микроорганы могут собираться сами из маленьких «строительных блоков» – тканевых сфероидов. Тканевые сфероиды – это группы клеток, связанных между собой. Они позволяют получить плотную структуру ткани, аналогичную настоящей.
3 декабря 2022 г. была запущена ракета «Союз МС-11», которая доставила магнитный биопринтер на МКС. Ученые планируют провести эксперимент по биопечати хрящей и щитовидной железы в космических условиях. Российская команда первая в мире отправила биопринтер в космос.
Фудпринтинг
Одно из несомненных преимуществ 3D-печати – это возможность изготовления продукции по индивидуальному заказу. Упомянутая ранее компания «3D Bioprinting Solution» в феврале 2022 г. установила 3D-принтер в подмосковном магазине «Азбука вкуса» (Новорижское шоссе, деревня Покровское). Робот наносит пасту на печенье в виде заданного рисунка.
3D-печать может применяться не только для украшения кондитерских изделий, но и для печати самих продуктов. Фудпринтинг рассчитан на использование альтернативных белков, получения продуктов с определенными потребительскими свойствами.
Еще совсем недавно, в 2019 г. китайские ученые вырастили искусственную свинину из стволовых клеток животного. Но свинина из пробирки оказалось очень дорогой. Настолько дорогой, что не было смысла запускать ее в массовое производство.
И вот уже в 2022 г. израильский стартап «Steakholder foods» создал технологию, которая позволяет делать стейки в промышленных масштабах. Как заявляют представители компании, принтер может выдавать до 500 кг мяса в день. А в апреле 2023 г. компания провела презентацию искусственно «напечатанного» мяса рыбы.
Производитель предлагает не только сочные стейки, изготовленные из клеток настоящего мяса, но и веганский продукт полностью на растительной основе. Стейк может быть сделан по индивидуальному заказу, с нужным количеством жира, белка, железа. Такое мясо не содержит антибиотики и гормоны роста, которые часто применяются в животноводстве.
«Традиционный» мясной стейк выращивается из жировых и мышечных клеток животных в биореакторе, в котором созданы оптимальные условия для роста и деления клеток. При этом не нужно забивать животное. 3D-мясо также может быть сделано гибридным: из ингредиентов растительного и животного происхождения.
Ботинки и одежда, напечатанные на 3D-принтере
Французский дом мод «Cristian Dior» в начале 2023 года представил на суд публики ботинки FW23, напечатанные на 3D-принтере. Обувь сделана из термопластичного полиуретана и представляет собой текстурную решетчатую поверхность, благодаря чему она стала очень легкой и удобной в носке. За основу взята классическая модель ботинок «Derbi».
«Dior» – не единственная компания, которая следит за трендами в технологиях. Американская компания «Reebok», выпускающая спортивную одежду, тоже продемонстрировала аналогичную обувь на Неделе моды в Париже.
А швейцарские изобретатели из департамента материалов запатентовали стельку для обуви со встроенными датчиками для мониторинга походки и коррекции осанки. Стелька тоже изготовлена методом 3D-печати.
Немецкая группа компаний «Karl Mayer», занимающаяся производством оборудования для текстильной промышленности, решила объединить 3D-печать с традиционными технологиями. Совместно с Билефельдским университетом прикладных наук компания протестировала новый стол для 3D-печати для производства обувных полотен. Модель была представлена на выставке Techtextil 2022 во Франкфурте-на-Майне.
Машина для производства полотна оснащена системой 3D-печати. Благодаря такой технологии можно совместить изготовление массовой продукции с индивидуальным дизайном, например, печатать фирменный знак. Скорость нанесения изображения эквивалента скорости традиционного текстильного производства (85 кв. м в час).
Сложности по внедрению 3D-печати
Несмотря на то, что аддитивные технологии просто незаменимы в некоторых областях (например, изготовление лопаток для турбин, у которых сложный геометрический контур), металлические объекты, полученные такими методами, хуже по эксплуатационным характеристикам.
Одна из главных проблем – высокая остаточная пористость материала. Это обусловлено технологическим режимом сплавления и характеристиками исходного сырья (порошки металлов). Данную задачу еще предстоит решить мировому научному сообществу.
Другой проблемой является высокая шероховатость поверхности. Если для строительства домов это не так существенно (можно использовать отделочные материалы), то для металлических объектов потребуется дополнительная финишная обработка. Все это усложняет внедрение аддитивных технологий и приводит к их удорожанию.
Лидеры производства
По количеству компаний, работающих на рынке аддитивного производства, лидирует Европейский регион. На втором месте США, а на третьем – Азия. По прогнозам экспертов, глобальный рынок 3D-печати к 2025 г. достигнет $32 млрд., а среднегодовые темпы прироста составят 25%.
В России распространение аддитивных технологий осложняется тем, что они не были стандартизированы. Лишь в конце 2019 года была введена треть ГОСТов из всех запланированных. Стандартизация особенно важна для 3D-печати в сфере здравоохранения.
Другая проблема – это отсутствие отечественных производителей качественных материалов для 3D-принтеров.
Более 30% производства с применением аддитивных технологий приходится на долю авиакосмической отрасли, а на втором месте – автомобильная промышленность. Наиболее крупными потребителями 3D-принтеров являются государственные компании: «Роскосмос», «Ростех», «Росатом». Правительством РФ 28 апреля 2020 г. разработана «дорожная карта» развития аддитивных технологий до 2030 года.
Рассказываем про интеллектуальные права, кратко освещаем важные новости для бизнеса и делимся результатами своей работы. Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Другие статьи, которые могут быть вам интересны:
Как запатентовать идею в России
Сколько стоит патент на изобретение, полезную модель, промышленный образец
Как самостоятельно зарегистрировать свой бренд в Роспатенте
Услуги патентного поверенного при регистрации интеллектуальной собственности
