От медицины до изменения производственных цепочек


Использование материалов с других планет для 3D-печати — это важный шаг в развитии космического производства. Об этом в интервью RT заявил доцент кафедры материаловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС», руководитель лаборатории цифрового производства FabLab Владимир Кузнецов. Так учёный прокомментировал недавнее заявление Европейского космического агентства о планах по применению лунных металлов для 3D-печати. Он отметил, что в космос уже отправляются детали, напечатанные на 3D-принтерах. Учёный также рассказал о видах 3D-биопечати и свойствах материалов, созданных с помощью аддитивных технологий. По его словам, важнейшей перспективой развития 3D-печати является её использование в персональном производстве.

— Недавно стало известно, что Европейское космическое агентство (ESA) планирует протестировать технологии 3D-печати, используя металлы с поверхности Луны. Что можно будет напечатать в космосе и какие материалы будут для этого использованы?

— Европейскому космическому агентству до Луны сейчас очень далеко. Важно понимать, что популярный сейчас термин «3D-печать» применяется зачастую слишком вольно. Прошлый громкий европейский проект, связанный с Луной и 3D-печатью, подразумевал строительство лунной базы с использованием реголита (поверхностный слой сыпучего лунного грунта. — RT). Проект с лунной базой предполагал применение элементов аддитивных технологий (технологии наращивания и синтеза объектов. — RT), но приклеенный к нему ярлык «3D-печать» совершенно не правомерен.

В то же время сама идея использования локальных материалов для производства на Луне, Марсе или Пандоре чего бы то ни было является единственно верной. 3D-печать, безусловно, сыграет в этих проектах важную, но не исключительную роль. Европейское космическое агентство подобными концептуальными проектами делает своего рода задел на будущее.

Если же говорить о 3D-печати в космосе сегодня, то самая распространённая и доступная технология — Fused Filament Fabrication (производство методом наплавления нитей. — RT) — вполне готова работать на космической станции и в условиях невесомости и может использоваться, например, для изготовления приспособлений и экспериментального оснащения на МКС. Проблема состоит в материале, который придётся доставлять с Земли. Вопрос в том, что эффективнее: доставить с Земли готовые детали или доставить принтер и расходные материалы в космос.

— Когда будут запущены 3D-технологии в космосе и чем использование 3D-принтеров на Луне будет отличаться от их применения на Земле?

— В космос сегодня уже отправляются ракеты с напечатанными на 3D-принтерах деталями. На Луне могут использоваться разные технологии 3D-печати, как адаптированные из земных, так и специально разработанные для новых миссий. Для решения задач строительства внешних корпусов лунных баз, например, может быть использована технология избирательного спекания (процесс получения твёрдых и пористых материалов из мелких порошкообразных или пылевидных материалов при повышенных температурах и (или) высоком давлении. — RT), в которой материалом будет служить лунный грунт, а источником энергии — солнечный свет.

Сотрудник московской лаборатории 3D Bioprinting Solutions держит в руках щитовидную железу, напечатанную на 3D-принтере / РИА Новости / © Кирилл Каллиников

— Чем отличаются модели, напечатанные на 3D-принтерах, от деталей, изготовленных по традиционным технологиям?

— Есть множество технологий 3D-печати, и для них существуют различные материалы. Для этих технологий и материалов правильнее использовать разные референсы из мира традиционных технологий. В целом прочность напечатанных изделий, за редким исключением, заметно уступает прочности изделий из тех же или близких материалов, но полученных традиционными методами. В самой распространённой технологии (Fused Filament Fabrication) одной из ключевых особенностей является сильно выраженная анизотропия свойств (характеристика физического тела, заключающаяся в том, что различные его свойства в разных направлениях проявляются количественно неодинаково. —RT).

Имеется в виду, что свойства изделия зависят от направления прилагаемых внешних сил относительно ориентации изделия при печати. Напечатанное изделие не монолитно, оно сформировано полимерными нитями, уложенными параллельными слоями. Вдоль слоёв свойства одни, поперёк — другие. Как правило, прочность поперёк слоёв составляет около 40% от прочности вдоль слоёв, но эту разницу можно значительно сократить или даже свести на нет.

— В ближайшие десятилетия биопечать может стать следующей важной вехой в здравоохранении и персонализированной медицине. Достижениями в области 3D-биопечати было создание человеческой кожи, хрящей, костей, кровеносных сосудов и внутренних органов, таких как сердце и почки. Насколько безопасны напечатанные органы и можно ли их пересаживать людям? Может ли печать органов заменить традиционную трансплантологию?

— Традиционная трансплантация никогда не была и, наверное, не будет безопасной. Пересаженный орган воспринимается организмом как чужеродный объект и подвергается постоянным атакам иммунной системы. В этом смысле искусственные органы, выращенные из собственных стволовых клеток организма-акцептора и напечатанные на 3D-биопринтере, могут стать более безопасными, чем «традиционные» решения.

— Благодаря 3D-печати могут производиться такие продукты, как шоколад, макароны, сахар и другие. Недавно японские учёные напечатали на 3D-принтере кусок говядины с применением технологий генной модификации. Зачем нужно печатать продукты?

— В «съедобной» 3D-печати важно различать два совершенно разных направления. Первое — это придание съедобному материалу необходимой формы, например, печать пригодных для употребления в пищу украшений для торта.

3D-принтер печатает снежинку из шоколада / globallookpress.com / © ZUMA Press / Rodrigo Reyes Marin

Второе направление, имеющее весьма опосредованное отношение к 3D-печати в её классическом понимании (безынструментальное производство простых и сложных форм послойным добавлением материала), подразумевает не столько придание изделию необходимой формы, сколько синтез материала. Многие из этих технологий близки к технологиям биопечати. Зачем выращивать корову целиком, если можно «вырастить» только стейк из стволовых клеток?

— В современном мире 3D-принтеры используются в различных областях: в машиностроении, архитектуре, мелкосерийном производстве и многих других. Какие ещё перспективы у данного направления?

— Цифровые аддитивные технологии дополняют субтрактивные (традиционные методы производства и обработки, где формирование облика изделия происходит за счёт удаления лишнего материала. — RT) и деформационные (традиционные методы обработки материалов давлением. — RT) во всех отраслях современной промышленности. Мы переживаем сейчас серьёзные изменения в промышленном укладе, но ошибочно увязывать это исключительно с появлением 3D-печати. Революция заключается в вытеснении цифровыми производственными технологиями аналоговых, а не в замене 3D-принтерами фрезерных станков или штамповочных прессов.

Важнейшей перспективой развития 3D-принтеров, равно как и других современных цифровых производственных машин, является персональное производство, и у этого понятия есть два значения. Во-первых, с помощью цифровых машин можно эффективно производить персональные изделия — продукцию в единичном экземпляре, нужную единственной персоне. А во-вторых, 3D-принтер — это персональное средство производства.

Несколько столетий мир делился на владеющих средствами производства и на всех остальных, но сегодня эта граница размывается. Недорогой домашний (персональный, настольный, любительский) 3D-принтер имеет очень низкую производительность, но она легко компенсируется большим числом этих принтеров, что позволяет начать движение в направлении от массового производства, которое не может существовать без массового потребления, к распределённому персональному производству.

Лицевые щитки, напечатанные на 3D-принтерах / РИА Новости / © Екатерина Чеснокова

В разгар первой волны глобальной пандемии коронавируса, когда из-за эпидемии и связанных с ней ограничительных мер моментально разрушились логистические цепочки производства и поставки товаров, весь мир столкнулся с дефицитом средств индивидуальной защиты: масок, лицевых щитков, перчаток. Этих изделий не хватало врачам и медицинскому персоналу, и на помощь пришли «мейкеры» — владельцы домашних 3D-принтеров. Они работали как волонтёры и наладили выпуск различных средств и их безвозмездную передачу врачам. Тысячи любительских 3D-принтеров заработали по всему миру — в США, Индии, Перу и России — и, согласно статистике некоммерческой организации Open Source Medical Supply, произвели более 40 млн единиц дефицитной продукции, прежде чем восстановила работу система глобальной дистрибуции и массового производства.

— Как развиваются российские технологии 3D-печати и какие 3D-принтеры используются в России?

— Технологии 3D-печати развиваются с середины 1980-х годов, серьёзный прогресс пришёлся на 1990-е годы. В это время и СССР, и Россия имели весьма ограниченные возможности по созданию новой наукоёмкой техники. Однако Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН после 1991 года выпускал установку стереолитографии (процесс аддитивного производства, результат в котором достигается посредствам фотополимеризации смолы. — RT). В последнее десятилетие больших и малых разработчиков и производителей 3D-принтеров в России хватает, многие решения конкурентоспособны на глобальном рынке. 

— Недавно компания АМТ, резидент фонда «Сколково», заявила, что в Ярославской области с помощью 3D-принтера построит посёлок из 12 домов. Каким образом будет проводиться печать и можно ли будет жить в таких домах?

— Строительная печать — это отдельное направление цифровых аддитивных технологий, и оно тоже развивается по-разному. Самая популярная сейчас схема — печать бетоном или геополимерным бетоном. Другая схема, разработанная в России, — печать специальным полимерным гелем, отвердевающим при ультрафиолетовой засветке.

Есть два разных подхода. В первом мобильный 3D-принтер разворачивается на стройплощадке и печатает стены здания непосредственно на фундаменте. Второй подход — печать модулей будущего здания в заводских условиях с их последующей доставкой на стройплощадку. В домах обоих типов люди уже живут.

— Исследователи из Университета Лафборо (Великобритания) разработали новый метод 4D-печати. Что это за вид печати?

— 4D-печать — это популярный и расхожий термин, который может означать очень разные решения. Наиболее популярная трактовка: 4D-печать — это печать изделий, чья форма не является статичной. Примером 4D-печати может служить одновременная печать материалов с разными свойствами. В изделии формируются жёсткие и эластичные участки, таким образом программируется поведение изделия под нагрузкой. 4D-печать позволяет печатать объекты с размерами большими, чем принтер, на котором она осуществляется. Извлечённый из принтера объект разворачивается, увеличиваясь в размерах. Возможная конечная цель развития 4D-печати — это печать робота, который сможет сам выйти, выехать, выползти или вылететь из напечатавшего его принтера.

Детали, напечатанные на 4D-принтере / © Legion-media.ru / Xinhua/Sipa USA

— Могут ли 3D-принтеры помочь нам в освоении других планет, например Марса? Возможно ли, что при колонизации мы сможем создавать 3D-детали непосредственно из найденных на планете полезных ресурсов?

— Нам нужно прекратить мечтать о колонизации и терраформировании (теория о гипотетической возможности смены климатических условий на космических телах. — RT) других планет. Необходимо работать над терраформингом родной для нас Земли. Промышленная революция и её главные достижения — массовое производство и потребление — привели к тому, что наша среда обитания стала токсичной для жизни. Для продолжения развития человечеству необходимо разрабатывать новые, более эффективные системы генерации и распределения ресурсов. 3D-печать как часть будущей системы распределённого персонального производства будет играть в этом не последнюю роль. Решив критические проблемы на Земле, можно будет подумать о колонизации других планет.

Екатерина Кийко

Заглавное фото: 3D-принтеры / РИА Новости / © Артур Лебедев

Источник: russian.rt.com