Аддитивные технологии

Научные и технологические проекты в области аддитивных технологий

Аддитивное производство: технологии и оборудование

В настоящее время в ИОХ РАН установлено и активно эксплуатируется следующее оборудование для аддитивного производства: установка селективного лазерного сплавления металлического порошка Onsint AM150 (SLM – Selective Laser Melting), установка для экструзионного наплавления термопластичных материалов (FDM – Fused Deposition Modeling) с высокой температурой плавления F2 Lite, установки для экструзионного наплавления термопластичных материалов общего назначения Picaso 3D Designer X и Picaso 3D Designer X Pro.

Установки аддитивного производства (3D-принтеры), используемые в ИОХ РАН для решения задач внедрения новых технологий производства химических реакторов в практику тонкого органического синтеза: (a) Onsint AM150, использующая технологию SLM; (b) F2 Lite, реализующая технологию FDM для высокотемпературных пластиков; (c) Picaso 3D Designer X для производства изделий методом FDM из пластиков общего назначения.

Технология SLM дает возможность аддитивного производства изделий из широкого ряда конструкционных сплавов металлов. В частности, в ИОХ РАН используются нержавеющая сталь марки 03Х17Н12М2, сплав титана ВТ6, жаростойкий сплав никеля 08ХН53БМТЮ. Исходным состоянием металла является мелкодисперсный порошок с высокой текучестью благодаря сферической форме частиц порошка. Порошок металла послойно наносится на рабочую платформу принтера и сплавляется лучом волоконного лазера высокой мощности (300 Вт) в соответствии с цифровой моделью изделия. Образующееся изделие характеризуется высокой степенью монолитности материала, прочность и теплопроводность которого не уступают таковым для металлических изделий, изготовленных традиционными способами (литьем или субтрактивными методами).

Для аддитивного производства реакторов и лабораторной оснастки из высокотемпературных пластиков, таких как полиэфирэфиркетон, нашедшего широкое применение в химической научно-исследовательской практике, в ИОХ РАН используется установка F2 Lite, реализующая технологию FDM. Производство изделий методом FDM состоит из послойного наплавления термопластичного материала через сопло печатающей головки, внутри которой происходит плавление материала и его механическая подача через сопло. В результате перемещения печатающей головки над поверхностью платформы построения происходит формирование каждого слоя изделия. Особенностью аддитивного производства с использованием термопластов с высокой температурой плавления является необходимость поддержания высокой температуры среды вокруг формирующегося изделия для обеспечения его высокого качества размерной точности. Для решения этой задачи принтер F2 Lite оснащен нагреваемой камерой, способной поддерживать температуру до 100 °C во всем своем объеме. Жидкостное охлаждение печатающих головок принтера F2 Lite позволяет использовать материалы с температурой плавления до 550 °C.

Аддитивное производство изделий, не требующих высокой теплостойкости, выполняется из термопластов общего назначения, таких как АБС-пластик, полипропилен, полиэтилентерефталат-гликоль (ПЭТГ), полилактид (ПЛА) и т.д. с использованием FDM-принтеров Picaso 3D Designer X и Picaso 3D Designer X Pro.

Следует отметить, что принтеры F2 Lite и Picaso 3D Designer X Pro обладают возможностью аддитивного производства изделий одновременно из двух различных материалов, что открывает широкие возможности для получения реакторов и их компонентов сложной геометрии.

Примеры научных исследований и практических проектов

Научные исследования и реализация практических проектов с использованием аддитивных технологий проводятся в ИОХ РАН на протяжении более 10 лет. Результаты работ опубликованы в ведущих мировых научных журналах и активно цитируются. Примеры некоторых исследовательских проектов описаны ниже.

В работе "Development of 3D+G printing for the design of customizable flow reactors" [DOI: 10.1016/j.cej.2021.132670] была разработана методика двухстадийного производства металлизированных проточных химических реакторов (3D+G печать), сочетающая в себе FDM печать и последующую металлизацию пластиковых реакторов. Основная решаемая задача в данном проекте — разработка универсального и доступного метода для создания химических реакторов, которые могут быть адаптированы под различные химические процессы.

Методика включает использование 3D-печати с последующей металлизацией (химической и гальванической) для улучшения химической и механической устойчивости пластиковых деталей. В работе применялись такие материалы, как АБС-пластик, медь и никель.

Основное научное достижение данного проекта — создание высокоэффективных, химически устойчивых проточных реакторов, которые можно использовать в различных химических процессах, включая фотохимические и гетерогенные реакции.

В результате работы предложен отработанный способ создания новых, широкодоступных химических реакторов любой конфигурации, что имеет большое значение для развития химической инженерии и технологий химии в непрерывном потоке, как для лабораторных, так и для промышленных приложений.

Проточные микрореакторы, полученные методом FDM печати с последующей металлизацией (3D+G печать).

В последнее время активно разрабатываются новые термопластичные материалы на основе природного сырья для аддитивной технологии FDM. Такие материалы не уступают по своим физико-механическим характеристикам материалам на основе продуктов переработки ископаемого сырья, но отличаются намного большей экологичностью и высокой безопасностью аддитивного производства. В частности, в ИОХ РАН выполнено исследование применимости полиэтиленфураноата (PEF) для 3D-печати методом FDM: "Three-Dimensional Printing with Biomass-Derived PEF for Carbon-Neutral Manufacturing" [DOI: 10.1002/anie.201708528]. Данный полимер может быть синтезирован из биомассы и обеспечить углерод-нейтральный цикл производства. В работе показаны преимущества нового материала перед традиционными материалами для 3D печати, такими как ABS и PLA, особенно в контексте химической устойчивости.

В исследовании применяется подход, включающий синтез PEF из целлюлозы и дальнейшее его использование в процессе 3D печати. Особенностью PEF является его высокая химическая устойчивость и термостабильность, что делает его подходящим для использования в различных условиях, включая контакт с агрессивными химическими веществами.

Основным достижением данной работы является разработка углерод-нейтрального производства полимерных материалов с использованием биомассы, что способствует развитию устойчивых технологий 3D-печати. Это исследование является существенным вкладом в улучшение экологической безопасности и устойчивости аддитивного производства, расширяя возможности использования биоразлагаемых полимеров в различных областях применения.

Химические кюветы, изготовленные методом FDM из полиэтиленфураноата.

Как было показано в работе "Systematic study of FFF materials for digitalizing chemical reactors with 3D printing: superior performance of carbon-filled polyamide" [DOI: 10.1039/d2re00395c], инженерные термопласты общего назначения также могут служить эффективным конструкционным материалом для производства лабораторных химических реакторов методом FDM. Для изготовления реакторов в этом проекте был использован ряд термопластов, включая полиамид-6, наполненный углеродными волокнами (PA6-CF). В результате работы была разработана новая методология комплексного тестирования изделий, полученных методом FDM, позволяющая оценить влияние одновременно нескольких внешних факторов: нагревания, механической нагрузки и воздействия среды органического растворителя. Было найдено, что PA6-CF является оптимальным материалом для создания химических реакторов в лабораторных условиях, обладая высокой химической и теплостойкостью. В рамках проекта методом FDM из PA6-CF были изготовлены проточные реакторы, показавшие высокую эффективность в процессе гидрирования алкинов, что доказало возможность проведения такого типа каталитических процессов в системах проточного типа, используя существенно меньшее количество дорогостоящего палладиевого катализатора по сравнению с реализацией процесса в реакторах периодического типа. Выполненные исследования позволяют улучшить функциональность лабораторного оборудования и расширяют перспективы применения аддитивных технологий в химическом инжиниринге.

Микрореакторы проточного типа для реакции гидрирования: (a) модель проточного реактора; (b) – готовый проточный реактор из PA6-CF; (c) – схема модульной проточной системы для процесса гидрирования, состоящая из двух проточных модулей.

Введение наполнителя в термопластичные полимеры улучшает их характеристики для использования в аддитивном производстве методом FDM: уменьшает усадку получаемых изделий, увеличивает размерную точность в ходе печати, в некоторой степени упрочняет готовое изделие. Как было показано в исследовании, результаты которого опубликованы в статье "Sustainable application of calcium carbide residue as a filler for 3D printing materials" [DOI: 10.1038/s41598-023-31075-z] в качестве такого наполнителя могут использоваться остатки карбида кальция (calcium carbide residue, CCR). Такой подход может частично решить проблему утилизации CCR, являющегося побочным продуктом производства ацетилена из карбида кальция.

Было установлено, что CCR может быть эффективным наполнителем для нескольких видов коммерчески доступных пластиков, таких как ПЛА, ПЭТГ, ПА, АБС и СБС, при этом содержание CCR варьировалось от 1% до 28%. Полученные композиты были использованы для производства нитей, полностью совместимых с коммерческим оборудованием для 3D-печати.

Главное научное достижение данного проекта заключается в том, что использование CCR в качестве наполнителя улучшает механические свойства композитных материалов, в частности, увеличивает прочность на разрыв и модуль Юнга. Например, для композита на основе полиамида с добавлением 20% CCR наблюдалось увеличение прочности на 9% и модуля Юнга на 60%.

Результаты этой работы открывают новые возможности для утилизации CCR, способствуя защите окружающей среды и улучшению характеристик полимерных конструкционных материалов. Это исследование также стимулирует дальнейшие разработки в области аддитивных технологий и производства композитных материалов.

В работе "Exploring metallic and plastic 3D printed photochemical reactors for customizing chemical synthesis" [DOI: 10.1038/s41598-022-07583-9] разработаны новые фотохимические реакторы, изготовленные из металла и пластика методами аддитивного производства. Благодаря особенностям цифрового дизайна и 3D-печати, в данном проекте решена задача разработки фотохимических реакторов с широкими возможностями модификации для оптимизации условий реакций и масштабирования химического синтеза.

Для аддитивного производства авторы используют две технологии 3D-печати: селективное лазерное спекание металлического порошка (DMLS) для реакторов из металла и экструзионного наплавления термопластичных материалов (FDM) для изделий из пластиков. Эти реакторы позволяют проводить фотохимические реакции с высокой точностью контроля температуры и возможностью настройки длины волны источников света.

В результате выполненной работы показана высокая эффективность разработанных реакторов для воспроизводимого проведения фотохимических экспериментов с высокими выходами продукта, что является основным научным достижением этой работы. Это открывает новые возможности для оптимизации химического синтеза, включая более эффективное масштабирование производства химических соединений.

Работа вносит значительный вклад в развитие фотохимии и аддитивных технологий, предоставляя новые инструменты для исследователей и возможности для дальнейших инноваций в этой области.

Установки фотохимического синтеза, включающие в себя реакторы и компоненты, изготовленные методами аддитивного производства: (a) металлический фотореактор, изготовленный методом DMLS; (b-d) установки с конструкционными элементами, изготовленными методом FDM из теплостойких материалов.

Некоторые технологии аддитивного производства характеризуются наличием большого количества дефектов в готовых изделиях, поэтому для улучшения изделий необходимо понимание механизмов возникновения таких дефектов и стратегий уменьшения их количества. Этим вопросам посвящен аналитический обзор "Анализ, классификация и предотвращение образования дефектов в экструзионной 3D-печати" [DOI: 10.59761/RCR5103], в котором проводится классификация дефектов, возникающих при использовании метода FDM, и рассматриваются способы их устранения в ходе решения задач производства химических реакторов. Основная проблема, решаемая в обзоре, связана с повышением качества 3D-печати изделий, особенно важных в химическом производстве.

Авторы статьи предлагают детальную классификацию дефектов 3D-печати, включая такие параметры, как размер, пространственная топология, природа возникновения и расположение дефектов. Такой подход позволяет лучше понять механизмы образования дефектов и разработать методы, предотвращающие их появление.

Систематизация знаний о дефектах, возникающих в ходе 3D-печати, и разработка решений для их устранения, является важным научным достижением этой работы, которое существенно повышает качество и надежность химических реакторов, изготавливаемых с помощью технологии FDM.

Влияние данной работы на науку и развитие аддитивных технологий значительно, так как она предлагает комплексный подход к повышению качества изделий, полученных аддитивным способом, что открывает новые возможности для их применения в химической промышленности и других сферах.

Классификация дефектов в изделиях, изготовленных методом FDM, на основании их топологии.

В последнее время многие области науки и техники получили значительное ускорение благодаря использованию алгоритмов машинного обучения в повседневной практике. Интеграция методов машинного обучения с бесконтактным тепловизионным анализом прочности изделий, полученных методом 3D-печати, выполнена в работе "Integration of thermal imaging and neural networks for mechanical strength analysis and fracture prediction in 3D-printed plastic parts" [DOI: 10.1038/s41598-022-12503-y]. Разработанные в данном проекте методы позволяют выполнять анализ механической прочности деталей, изготовленных аддитивными методами, и осуществлять прогнозирование их разрушения. Прогнозирование времени разрушения изделий является основной задачей, решаемой в рамках работы, что имеет большое значение для повышения надежности изделий, изготовленных методом 3D-печати, включения аддитивных технологий в общее и химическое машиностроение.

В работе применяются методы термографического анализа и машинного обучения. Используя термографические камеры, исследователи анализируют тепловые эффекты в материалах в процессе механических испытаний. Данные с камер обрабатываются с помощью нейронных сетей для предсказания времени разрушения материалов.

Основное научное достижение проекта заключается в разработке метода, позволяющего с высокой точностью прогнозировать момент разрушения пластиковых деталей, изготовленных методом 3D-печати, на основе анализа нейросетевыми алгоритмами термографических данных. Полученные результаты представляют собой значительный вклад в область аддитивных технологий, повышая безопасность и надежность готовых изделий.

Новые инструменты для мониторинга и контроля качества продуктов аддитивного производства определяют заметное влияние результатов этой работы на материаловедение и области науки и техники, использующие в своей практике аддитивные технологии. Перспективы дальнейших исследований включают разработку улучшенных алгоритмов машинного обучения для еще более точного прогнозирования разрушений, а также применение данной методики для широкого спектра материалов и производственных процессов.

(a) Портативная система тепловизионного анализа, состоящая из тепловизионной камеры и одноплатного компьютера; (b) образец, изготовленный методом FDM, в ходе механических испытаний; (c) термограмма образца в начале испытаний на прочность; (d) термограмма образца в момент разрушения.

Систематические работы по улучшению качества изделий, изготовленных аддитивными методами, выполненными в ИОХ РАН, позволили создавать лабораторные химические реакторы, пригодные для работы с газообразными реагентами под давлением. В частности, в работе "3D Printing to Increase the Flexibility of the Chemical Synthesis of Biologically Active Molecules: Design of On-Demand Gas Generation Reactors" [DOI: 10.3390/ijms22189919] разработаны погружные реакторы для генерации газов непосредственно в месте проведения реакции. Основная химическая задача, решаемая в этой работе, заключается в упрощении процесса получения газообразных реагентов для органического синтеза, минимизации использования оборудования, работающего под давлением и повышении безопасности экспериментов с газообразными реагентами в том числе горючими и взрывоопасными газами.

Авторы использовали 3D-печать для создания реакторов, способных генерировать различные газы (например, ацетилен, водород, углекислый газ) в реакционной среде непосредственно из предшественников. Применение данной технологии позволяет избежать хранения и использования газов под высоким давлением.

Основным научным достижением работы является разработка компактных и эффективных реакторов для генерации газов, адаптируемых для различных условий химического процесса и значительно упрощающих процедуру синтеза сложных органических соединений. Это открывает новые перспективы для проведения различных химических реакций с использованием газообразных реагентов в более безопасных и контролируемых условиях.

Влияние этой работы на науку включает в себя повышение доступности и безопасности использования газообразных реагентов в органическом синтезе, а также стимулирование дальнейших исследований интеграции аддитивных технологий и химической инженерии.

Компактный реактор для генерирования газов внутри сосуда для проведения химической реакции: (a) чертеж реактора внутри реакционного сосуда, стрелками показаны потоки газа, генерируемого внутри реактора, и выходящего в реакционную массу; (b, c) реакторы для генерирования газов, изготовленные из полилактида и полипропилена соответственно; (d) полностью собранный и готовый реактор внутри реакционного сосуда.

В рамках аналитического обзора "Oбщeдocтyпныe тexнoлoгии 3D-пeчaти в xимии, биoxимии и фapмaцeвтикe: пpилoжeния, мaтepиaлы, пepcпeктивы" [DOI: 10.1070/RCR4980] выполнен систематический анализ современных направлений применения 3D-печати в химической науке. Основной акцент делается на использовании 3D-печати для создания химических реакторов и лабораторного оборудования в различных областях химии. Авторы подчеркивают, что 3D-печать способствует эффективной оптимизации и ускорению химического синтеза, улучшая доступность и универсальность химических исследований.

Основное достижение данной работы заключается в формировании общих представлений о применимости широкого ряда аддитивных технологий в химических исследованиях среди исследователей-химиков, причем в данном обзоре такой систематический анализ выполнен впервые в русскоязычной научной литературе. В обзоре подчеркивается важность 3D-печати в разработке новых материалов и химических технологий. Работа также дает понимание о перспективных направлениях будущих исследований, включая разработку новых материалов для 3D-печати химического оборудования и дальнейшее интегрирование аддитивных технологий в химическое производство и образование.

Схематичное представление применения технологий аддитивного производства в различных областях химии.

Выраженное слоистое строение изделий, полученных методом FDM, приводит к особенностям взаимодействия FDM изделий со средой растворителей. Изучение таких особенностей очень важно для проектирования химических реакторов, так как большинство реакций проводятся в жидкой фазе. Статья "Revealing interactions of layered polymeric materials at solid-liquid interface for building solvent compatibility charts for 3D printing applications" [DOI: 10.1038/s41598-019-56350-w] посвящена изучению взаимодействия слоистых полимерных изделий с жидкими средами. На основании результатов исследований подготовлены таблицы совместимости различных материалов для 3D-печати именно в форме слоистых структур с органическими растворителями. Авторы решили задачу определения устойчивости изделий, полученных методом FDM, в различных растворителях, что важно для их использования в химической инженерии, биологии, аналитической химии.

Методика исследования включала тесты устойчивости пластиковых образцов специальной формы в различных растворителях, а также механистическое изучение процессов разрушения. Использовались методы сканирующей электронной микроскопии для изучения микроструктуры поверхностей до и после воздействия среды растворителя.

Разработка и применение универсального подхода для оценки устойчивости FDM-деталей в различных растворителях и классификация типов разрушения для изделий из разных пластиков является основным достижением данной работы. Результаты работы позволяют сделать более обоснованным выбор материала для производства химического оборудования методом FDM в химической инженерии и других областях.

Важные данные о совместимости различных полимерных материалов с растворителями, необходимые для их практического применения в различных областях науки и техники являются существенным вкладом в науку о материалах и химическую технологию.

 Различные типы разрушения FDM-изделий, наблюдаемые в среде органических растворителей.

Метод наплавления термопластичных материалов (FDM) характеризуется выраженным слоистым строением получаемых изделий, которые содержат в объеме материала большое количество дефектов. Такие дефекты могут ухудшать эксплуатационные характеристики изделий, в частности, уменьшать механическую прочность и приводить к негерметичности. В статье "Improvement of quality of 3D printed objects by elimination of microscopic structural defects in fused deposition modeling" [DOI: 10.1371/journal.pone.0198370] приведены результаты систематического исследования влияния различных параметров FDM производства на качество получаемых изделий. В работе решена задача повышения качества и надежности FDM-изделий за счет минимизации пористости, что приводит к увеличению герметичности.

Среди параметров процесса FDM производства наиболее важными являются множитель экструзии, температура и скорость печати. Также на герметичность изделий влияют толщина стенок и геометрия объекта.

Главным научным достижением работы является разработка методов оптимизации параметров 3D-печати, что позволяет значительно улучшить качество и устойчивость FDM изделий для их использования в промышленности и научных исследованиях.

Влияние данного исследования на науку и технологию заключается в предоставлении методических рекомендаций по улучшению качества 3D-печати, что имеет важное значение для разнообразных областей применения изделий, полученных аддитивным способом.

Влияние множителя экструзии (k) на герметичность FDM-изделий: увеличение значения k приводит к увеличению герметичности тестовых изделий.

Исследованию применения 3D-печати в химических лабораториях посвящена работа "Анализ возможностей технологии 3D-печати для развития практических приложений в области синтетической органической химии" [DOI: 10.1007/s11172-016-1492-y]. Авторы показывают преимущества использования различных типов конструкционных пластиков (ПП, ПЛА, АБС, ПЭТГ) в создании лабораторного оборудования методом FDM. Основное научное достижение этой работы заключается в успешном применении 3D-печати для создания лабораторной посуды, используемой в химических реакциях, таких как кросс-сочетание и гидротиолирование. Исследование подчеркивает важность 3D-печати в развитии химических лабораторий, открывая новые возможности для индивидуального проектирования и быстрого производства оборудования, а также для оптимизации химических процессов.

Примеры различной лабораторной посуды, изготовленной методом FDM, демонстрирующие возможности 3D-печати по созданию емкостей любой формы (2016 г).

Список публикаций

1. Kucherov F. A., Gordeev E. G., Kashin A. S., Ananikov V. P., "Three-Dimensional Printing with Biomass-Derived PEF for Carbon-Neutral Manufacturing", Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15931-15935. https://doi.org/10.1002/anie.201708528  (IF = 16.6, Q1).

2. Kucherov F. A., Romashov L. V., Ananikov V. P., "Development of 3D+G printing for the design of customizable flow reactors", Chem. Eng. J., 2022, 430, 132670. https://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2021.132670 (IF = 15.1, Q1).

3. Гордеев Е. Г., Анаников В. П., "Oбщeдocтyпныe тexнoлoгии 3D-пeчaти в xимии, биoxимии и фapмaцeвтикe: пpилoжeния, мaтepиaлы, пepcпeктивы", Успехи химии, 2020, 89, 12, 1507–1561. https://doi.org/10.1070/RCR4980 (IF = 7.7, Q1).

4. Ерохин К. С., Наумов С. А., Анаников В. П., "Анализ, классификация и предотвращение образования дефектов в экструзионной 3D-печати", Успехи химии, 2023, 92, 11, RCR5103. https://doi.org/10.59761/RCR5103 (IF = 7.7, Q1).

5. Erokhin K. S., Gordeev E. G., Samoylenko D. E., Rodygin K. S., Ananikov V. P., "3D Printing to Increase the Flexibility of the Chemical Synthesis of Biologically Active Molecules: Design of On-Demand Gas Generation Reactors", Int. J. Mol. Sci., 2021, 22(18), 9919. https://doi.org/10.3390/ijms22189919 (IF = 5.6, Q1).

6. Samoylenko D. E., Rodygin K. S., Ananikov V. P., "Sustainable application of calcium carbide residue as a filler for 3D printing materials", Sci. Rep., 2023, 13, 4465. https://doi.org/10.1038/s41598-023-31075-z (IF = 4.6, Q2).

7. Erokhin K. S., Gordeev E. G., Ananikov V. P., "Revealing interactions of layered polymeric materials at solid-liquid interface for building solvent compatibility charts for 3D printing applications", Sci. Rep., 2019, 9, 20177. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56350-w (IF = 4.6, Q2).

8. Gordeev E. G., Erokhin K. S., Kobelev A. D., Burykina J. V., Novikov P. V., Ananikov V. P., "Exploring metallic and plastic 3D printed photochemical reactors for customizing chemical synthesis", Sci. Rep., 2022, 12, 3780. https://doi.org/10.1038/s41598-022-07583-9 (IF = 4.6, Q2).

9. Boiko D. A., Korabelnikova V. A., Gordeev E. G., Ananikov V. P., "Integration of thermal imaging and neural networks for mechanical strength analysis and fracture prediction in 3D-printed plastic parts", Sci. Rep., 2022, 12, 8944. https://doi.org/10.1038/s41598-022-12503-y (IF = 4.6, Q2).

10. Korabelnikova V. A., Gordeev E. G., Ananikov V. P., "Systematic study of FFF materials for digitalizing chemical reactors with 3D printing: superior performance of carbon-filled polyamide", React. Chem. Eng., 2023, 8, 1613-1628. https://doi.org/10.1039/D2RE00395C (IF = 3.9, Q2).

11. Gordeev E. G., Galushko A. S., Ananikov V. P., "Improvement of quality of 3D printed objects by elimination of microscopic structural defects in fused deposition modeling", PLoS ONE, 2018, 13(6): e0198370. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0198370 (IF = 3.7, Q1).

12. Гордеев Е. Г., Дегтярева Е. С., Анаников В. П., "Анализ возможностей технологии 3D-печати для развития практических приложений в области синтетической органической химии", Изв. АН. Сер. хим., 2016, 6, 1637-1643. https://doi.org/10.1007/s11172-016-1492-y (IF = 1.7, Q3).