Университет Петра Великого станет первым в России разработчиком особого метода 3D-печати, который уже получил название 4D. Новый материал будет менять форму в зависимости от тепла, давления или других внешних факторов
Несмотря на карантин, работа Политехнического университета Петра Великого не останавливается. Следующие пять лет специалисты университета будут работать над перспективным заказом от госкорпорации «Росатом» - они создадут изделия на основе сплавов с памятью формы с управляемой структурой и пьезоэлектрической керамики. За сложным названием скрывается технопрорыв: Политех может стать первым в мире, кто выведет эту технологию из лаборатории прямо в промышленный сектор.
Огромная лаборатория разделена на несколько комнат, заполненных 3D-принтерами на любой цвет и вкус. Это струйные принтеры, устройства, которые работают с металлическим порошком, и настоящие махины, которые способны «выточить» деталь для атомной промышленности.
Как отмечают специалисты Политеха, 3D-принтерами уже никого не удивишь – многие покупают их домой, а управлять им может даже пятиклассник. Другое дело, 4D-печать: с помощью этой технологии можно не только напечатать объемные детали, но и сделать так, что свойства их будут меняться в зависимости от внешних факторов – температуры, давления или электрического тока. В последние годы ученые Политеха пытаются «вырастить» материалы, которые не получить классическими способами. Применение они найдут в медицине, авиастроении и в той же атомной промышленности.
«Это прототип протеза тазобедренного сустава, – показывает нам Иван небольшую металлическую деталь. – Пять лет назад реальный протез заказали специалисты института Вредена. Он печатается трехмерно. Это изделие обладает свойствами, заданными программой. Его структура запрограммирована так, чтобы свойства протеза по упругости были сопоставимы со свойствами кости человека».
В этом и есть весь смысл: изделия, созданные на 3D-принтере, поменять не получится никак. В 4D-печати у изделия меняются эксплуатационные характеристики.
«Существует класс материалов с памятью формы. Их принцип заключается в том, что материалы меняют форму и под воздействием температуры, а потом возвращаются в исходную. Идея нашего проекта заключается в том, что эти «умные материалы» дорабатываем и делаем программируемую структуру, а дальше получаем изделие, которое под воздействием внешних факторов меняется так, как мы хотим, – рассказывает Иван Гончаров. – Какой именно продукт мы получим через пять лет, а может и меньше, – пока коммерческая тайна. Скорее всего, это будет не корпусное изделие. Речь идет о функциональных материалах. Как, например, специальные проволоки, которые погружают в артерию человека, чтобы расширить ее».
«При создании изделия кроме трехмерной модели нужно заложить функциональные характеристики, которые определят его 4D-свойства – значения факторов, при которых оно будет менять характеристики. После проверки мы закладываем их в установку», – отмечает специалист
Сколько времени уйдет на изготовление детали, зависит от ее размеров. Если у некоторых на это уходят месяцы, то у специалистов Политеха – часы.
«Сейчас это очень горячая тематика и мировой тренд. Еще 7-8 лет назад мировым трендом была 3D-печать. Сейчас тренд с печати смещается в выращивание конкретного и сложного изделия, которое обладает уникальными характеристиками и его нельзя получить каким-то другим способом», – признаются они.
Одна из проблем таких материалов – их высокая стоимость. Политех решил это следующим образом – для создания порошка используется металлическая стружка, полученная при вторичном производстве. После синтеза порошка получаются частицы, которые в специальном устройстве пролетают через потоки плазмы порядка 10 тысяч кельвинов. Частицы расплавляются, кристаллизуются и застывают в форме сферы. Дальше это выглядит, как обычный порошок, – на глаз форму сферы не определить.
«К порошковым 3D-принтерам предъявляются жесткие требования, одно из которых связано с формой частиц, – она должна быть сферической. Если говорить по-простому, порошок должен хорошо течь, это можно заметить на примере с песочными часами»,
– рассказывает Иван и показывает нам песочные часы с металлическим порошком собственного производства.
Еще одна технология, которая будет применена в проекте, – технология прямого электродугового выращивания. Она тоже разработана в Политехе. Вместо порошка используется проволока, а вместо лазера – электрическая дуга. Весь этот процесс напоминает сварку, только без участия специалиста: все делает робот, которым ученый управляет с помощью двух пультов.
«С этой машиной работать очень легко, – признается инженер Дмитрий Курушкин. – У меня в руках пульт управления. Работа с ним не сильно отличается от программирования на языке Python или от написания кода для сайта. Есть еще пульт управления сварочным источником с обратной связью и высокочастотным управлением. Сварочный ток – по сути, сигнал, которым можно управлять, чтобы добиваться особых форм работы с металлом. При печати мы хотим особых скоростей охлаждения, размеров капель переноса – крупных или струи – и всем этим можно управлять с помощью с этого инструмента».
Один из главных конкурентов Политеха в данном направлении – Институт Фраунгофера в Германии.
«В США тоже идут аддитивные разработки, которые активно исследует НАСА. У них есть корпорация «Дженерал электрик», которая является большим игроком на этом рынке. Для этого они взяли несколько компаний, разрабатывающих 3D-принтеры, компанию, разрабатывающую порошок к ним, и объединили в одну», – объясняют специалисты.
Самое главное – подобных изделий в мире еще нет, хотя лабораторные исследования ведут США, Китай, Сингапур.
«Готового изделия с памятью формы или пьезоэлектрического в 4D-формате на сегодняшний день в мире нет. Кто-то ближе к этому, кто-то дальше. У кого-то уже есть прототипы. Политех – в тренде, не отстает», – говорят специалисты и без ложной скромности признают – они могут стать первыми.