Мировой рынок 3D-печати демонстрирует впечатляющий рост: к 2025 году эксперты прогнозируют его объем в $21,9 млрд, а к 2034 году он может достичь $115 млрд. Особым драйвером этой трансформации является метод Metal Binder Jetting (MBJ) – ключевая технология для серийного выпуска изделий.
Как работает технология Metal Binder Jetting?
MBJ напоминает принцип струйного принтера, но вместо чернил использует металлический порошок. Процесс начинается с формирования тончайшего слоя порошка на платформе. Специальная головка точечно наносит полимерное связующее – своеобразный "клей" для мгновенного соединения частиц. Послойное повторение цикла приводит к формированию заготовки. После печати изделие подвергается предварительной тепловой обработке для закрепления, извлекается из несвязанного порошка и поступает в печь для спекания. На этом этапе полимерный "клей" полностью удаляется, а металлические частицы сплавляются в монолитную высокоплотную деталь.
Огромный потенциал рынка MBJ: $330 миллионов и выше
Эксперты уверенно прогнозируют рост сегмента MBJ до отметки свыше $330 млн к 2034 году. Эта оценка подкрепляется уникальными преимуществами технологии. Она позволяет быстро и экономично изготавливать детали со сложнейшей внутренней структурой – например, каналы или решетки, создание которых традиционными методами затруднено или невозможно.
Ключевые сферы применения передовой технологии
Metal Binder Jetting уже находит применение в самых требовательных индустриях:
* Авиа- и космическая отрасль (сверхлегкие компоненты); * Производство эффективных систем охлаждения для электроники и двигателей; * Изготовление персонализированных медицинских имплантатов с заданной структурой; * Создание уникальных деталей и облегченных каркасов в робототехнике и современном оборудовании.
Экономика метода: скорость, эффективность, малая материалоемкость
Технология MBJ выгодна благодаря высокой скорости, обусловленной одновременным нанесением связующего на всю площадь слоя. Это ускоряет печать и позволяет создавать множество заготовок параллельно. Неиспользованный металлический порошок легко рециркулируется. Отсутствие необходимости в поддерживающих конструкциях минимизирует затраты материала и упрощает финальную обработку детали. Основная доля энергопотребления приходится на этап спекания, причем за один цикл можно обработать сотни заготовок, ощутимо снижая себестоимость каждой в крупной партии.
Российский рынок и вызов импортозамещения
В 2024 году объем российского рынка 3D-печати составил 12 млрд рублей. Однако доля методики Metal Binder Jetting незначительна. Главным препятствием была зависимость от импортного связующего – критически важного компонента процесса, отечественные аналоги которого отсутствовали.
Прорывная разработка Пермского Политеха
Научная задача по созданию подобного "клея" крайне сложна: требуются текучесть для точного дозирования, вязкость для мгновенного связывания порошка, придание прочности "зеленым" заготовкам и, наконец, полное термоудаление без остатка. Команда ученых Пермского Политеха (ПНИПУ) совместно с ООО «НПО «Керамет» блестяще справилась с вызовом, как в свое время подчеркнули исследователи Светлана Оглезнева и Татьяна Поздеева. Ушли в прошлое вынужденные "тепличные условия" зависимых импортеров, высокие затраты на конечную продукцию, риски срыва поставок и финансовая недоступность MBJ для российской промышленности. Этот прорыв открывает новые возможности!
Ученые Пермского Политеха и ООО «НПО «Керамет» достигли значимых успехов в анализе импортного двухкомпонентного связующего (жидкость «А» и гель «В»), чья точная рецептура является коммерческой тайной. Эта важная работа подробно описана в сборнике «Перспективные технологии реверс-инжиниринга и быстрого прототипирования». Хотя общедоступно, что аналоги содержат акриловые полимеры, формальдегидные смолы и растворители, уникальный состав до недавнего времени оставался секретом.
Цели и задачи исследования
Команда поставила перед собой амбициозную цель: полностью расшифровать состав каждого компонента и понять функции ингредиентов. Для жидкости «А» требовалось установить полимерную основу и добавочные вещества, ответственные за текучесть, стабильность и кислотность. Для геля «В» — идентифицировать основную отверждающую смолу и ее ключевые модификации. Доскональное изучение оптимального соотношения компонентов при смешивании было необходимо для получения материала, обладающего отличной печатаемостью, высокой силой склеивания порошка и безупречной выгораемостью в печи.
Раскрывая секреты жидкости «А»
Исследование жидкой основы стартовало с метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), своеобразного «магнитного сканера», который позволил выявить присутствие воды, органических веществ и крупных полимерных цепей. Процесс выпаривания показал ценные данные: летучие добавки составляют 17,8% от общей массы. Сравнив полученные «магнитные отпечатки» исходной жидкости и ее сухого остатка с крупными базами данных, исследователи с уверенностью идентифицировали ключевые функциональные добавки.
— Каждая из них играет незаменимую роль: метиловый эфир пропиленгликоля создает идеальную текучесть для эффективной работы печатающих сопел, пропиленгликоль способствует пленкообразованию и предотвращает преждевременное высыхание, N,N-диметилэтаноламин тонко регулирует кислотность, поддерживая стабильность состава, а бутиловый эфир диэтиленгликоля служит «долгоиграющим» растворителем, обеспечивая медленное высыхание и равномерное пропитывание металлической основы, — пояснила профессор Светлана Оглезнева, д.т.н., представитель кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха.
Точная идентификация состава «А»
Для безошибочного определения состава ученые успешно применили два дополнительных метода. Инфракрасная спектроскопия (ИК), с ее принципом уникального поглощения света, помогла установить сердцевину материала — стирол-акрилатный сополимер. Хромато-масс-спектрометрия (ХМС), мастерски разделяющая смесь на компоненты и определяющая их массу и структуру, полностью подтвердила природу растворителей и, что существенно, обнаружила следы вещества-катализатора, запускающего реакцию полимеризации.
Исследование геля-отвердителя «В»
Анализ геля «В» также стартовал с эффективного метода ИК-спектроскопии. Ученые оперативно выяснили, что основой геля является высокоэффективная меламино-формальдегидная смола. Ключевое открытие — смола метиловая (модифицирована метанолом), что означает сознательное присоединение спиртовых групп для великолепной стабилизации конечного продукта.
Метод высушивания наглядно продемонстрировал, что вода составляет 13% массы геля, придавая ему необходимую вязкость. Элементный анализ полученного сухого остатка дал точное процентное содержание элементов: углерод — 40.10%, водород — 7.71%, азот — 28.11%, кислород — 24.08%.
— Главная задача этого геля — выступать в роли отвердителя, — подчеркнула Татьяна Поздеева, к.т.н., зам. ген. директора по НИР ООО «НПО «Керамет». — При термической обработке в печи он энергично взаимодействует с компонентом А, формируя прочные поперечные связи между его полимерными цепями. Эта реакция «сшивки» образует цельную трехмерную сетку, придающую напечатанной детали решающую механическую прочность перед спеканием. Дополнительные тесты подтвердили исключительную чистоту компонента В — это практически чистая смола, высококачественно разбавленная водой, без посторонних примесей.
Удивительные открытия продолжают расширять горизонты технологического прогресса! Современные разработки демонстрируют впечатляющий потенциал для укрепления независимости ключевых отраслей промышленности.
Будущее технологий: новые перспективы развития
Инновационные подходы открывают захватывающие возможности для создания устойчивых производственных цепочек. Ученые и инженеры вдохновенно работают над решениями, которые способны обеспечить стабильность и рост национальной экономики в условиях глобальных вызовов.
Стратегии успеха: синергия науки и производства
Гармоничное взаимодействие исследовательских центров и промышленных предприятий рождает прорывные идеи. Эта динамичная коллаборация ускоряет внедрение передовых разработок, создавая прочную основу для технологического суверенитета и долгосрочного процветания.
