Химия в 3D: аддитивные технологии в химическом инжиниринге

3D-печать — одна из немногих областей бизнеса, которая оказалась в выигрыше в период распространения эпидемии COVID-19. Американские компании, которые раньше продавали в спокойном режиме 3D-принтеры, сегодня завалены заказами на производство конечных продуктов трехмерной печати: назальных палочек для проведения тестов на вирусы, компонентов вентиляционных систем, деталей медицинских инструментов и прочих расходников.

Традиционные цепочки поставок нарушены, и там, где существует повышенный спрос, 3D-печать оказалась практически единственным вариантом оперативно залатать дыры в производстве необходимой продукции. Даже учитывая, что требования к медицинским товарам регулируются достаточно жестко.

Трехмерная (3D-) печать — это самое яркое и непосредственное воплощение аддитивных технологий, метод послойного наращивания материала при производстве деталей из металла или полимеров.

Существует семь основных видов трехмерной печати:

Также существует печать густыми керамическими смесями для создания крупных архитектурных моделей и биопринтеры, при помощи которых печатают органы, но это отдельная не менее увлекательная тема, выходящая за рамки данной статьи.

Ключевыми характеристиками 3D-печати при проектировании деталей, а равно и ограничениями возможностей применения данной технологии являются:

В работе с химическими технологиями часто приходится сталкиваться с агрессивными средами, высокими давлениями и повышенными температурами, что существенно ограничивает возможность применения полимеров, которые используются при 3D-печати большинством принтеров.

Несмотря на оптимистичные обещания повсеместного внедрения трехмерной печати в промышленность, медицину, строительство, пока применение данной технологии в основном актуально при разработке опытных образцов изделий, а также для упрощения процесса изготовления и получения единичной или мелкосерийной продукции.

В каком случае 3D-печать может быть полезна для химических лабораторий и опытного производства? Оптимальный вариант — когда необходимо получить несколько деталей со сложной геометрией и нет уверенности, что эта геометрия сохранится в дальнейшем после проведения испытаний. Здесь разумней применять 3D-печать вместо литья.

Конечно, литье в силиконовые или металлические формы — прекрасный способ изготовления, и зачастую детали, получаемые этим методом, прочнее аналогичных, получаемых через 3D-печать. Однако когда прочностные характеристики не так важны, как экономия времени или средств при отработке какой-либо конструкции, следует пользоваться 3D-печатью.

Использование 3D-принтеров в массовом производстве вызывает сомнения ввиду относительно высокой стоимости подобных установок (особенно для высокоточной печати или печати металлом), их малой производительности, невозможности пока комбинировать разные материалы. Для организации такого предприятия требуются большие вложения, даже при том, что обучение специалистов не является сложной задачей.

Применение 3D-технологии оправдано при мелкосерийном производстве, а также при изготовлении моделей и форм для литейного производства. Изделия из прозрачного материала позволяют наглядно наблюдать происходящие внутри аппарата процессы. Важной нишей 3D-печати является быстрое изготовление сложных деталей (например, проволочная печать деталей космических аппаратов, которая может сэкономить десятки, а возможно, и сотни нормо-часов при производстве ответственных деталей).

Пока у технологий 3D-печати есть ряд очевидных ограничений, недостатков, которые не позволяют широко использовать их в высокоточной химической работе. Будем надеяться, что эти трудности временные. Основные проблемы кроются в технических возможностях отдельных устройств.

Для некоторых из типов аддитивных технологий ограничения по толщине слоя или толщине пучка отверждаемого материала вносят существенные погрешности в форму детали, поскольку нельзя избежать образования «ступеньки» из слоев на любых участках с цилиндрической или сферической поверхностью. Подобные поверхности требуют последующей обработки традиционными способами (точением, фрезерованием). То есть получается, что мы не экономим ни время, ни трудозатраты при изготовлении изделий сложной геометрии. В чем тогда смысл дорогостоящей технологии?

Инжиниринговый центр открыт инновациям, мы всегда стараемся тестировать новые технологии, которые могут помочь решать нам текущие задачи, оптимизировать процессы. К сожалению, исходя из опыта ИХТЦ, нам не удалось подобрать 3D-принтер, который позволил бы напечатать, например, деталь, как на рисунке ниже (для понимания масштаба: диаметр отверстий штуцеров — 2 мм), без необходимости последующей обработки. Сложно обеспечить приемлемую шероховатость поверхности, поскольку материал, наплавляемый послойно, спекается и течет при плавке неравномерно.

Данную деталь удалось получить только методом SLS-технологии (послойное спекание порошка) с последующим удалением остатков порошка из всех отверстий и обработкой наружной цилиндрической поверхности на токарном станке, так как не получилось сформировать ровную цилиндрическую поверхность.

Изготовленная указанным способом деталь оказалась достаточно прочной и газоплотной (использовался полиамид PA 2200). В конечном итоге для создания мелкой серии (25–50 изделий) метод трехмерной печати оказался наиболее приемлемым по соотношению «цена — качество — время».

Изготовление одной только литьевой формы для такого изделия занимает более двух месяцев и стоит более миллиона рублей, что приемлемо и оправдано при изготовлении 2–3 тысяч изделий в месяц.

Еще одной проблемой трехмерной печати является необходимость в так называемой поддержке в тех типах печати, где не идет послойного отверждения материала из сплошного сыпучего или жидкого материала (SLS-, SLA-технологии). Это дополнительная несущая технологическая часть материала, которую принтер создает для формирования той части наносимого слоя материала, которая не присоединена к основной детали, но с печатью следующих слоев должна быть к ней присоединена. Также «поддержки» формируются для изготовления стенок, находящихся под углом к печатному столику.

Данные элементы поддержки приходится удалять путем дополнительной механической обработки, как и неотвержденный порошок при использовании SLS-технологии или неотвержденный фотополимер при использовании SLA-технологии.

Некоторые материалы (например, ABS-пластик) можно обрабатывать парами легкокипящих растворителей (например, ацетона) для придания их поверхности гладкости и скругленности. Благодаря созданию монолитной внешней оболочки детали, уменьшается шанс расслоения. Естественно, это связано с частичным растворением поверхностного слоя, из-за чего ухудшается геометрия детали.

В качестве примера покажем деталь, которую очень хотелось, но пока что не получилось изготовить с применением аддитивных технологий. На рисунке ниже изображен сотовый носитель для катализатора — тонкостенная деталь (толщина стенки — 0,05–0,1 мм, материал — чистый алюминий АД0 (или аналоги), размер ячейки в свету ~2 × 3,5 мм). Носитель для катализатора — ответственная часть конечного изделия, которая должна быть достаточно термостойкой, механически и вибропрочной.

Компании, имеющие в распоряжении 3D-принтеры, печатающие порошковым алюминием, говорят об ограничении толщины стенки в 0,3 мм; желательная минимальная толщина стенки — 0,8–1,0 мм. Применение в нашей конструкции такой толщины недопустимо, поскольку ведет к существенному росту массы конечного изделия и повышенному аэродинамическому сопротивлению газовому потоку.

Аддитивные технологии, безусловно, имеют огромный потенциал в области приборостроения (корпусные детали или сложные детали малых размеров, а также детали с внутренними полостями). Но их широкое применение в химической отрасли (несмотря на уверения апологетов Илона Маска, интернета вещей и хипстономики) на данный момент ограничено объективными недостатками технологии. Пока у них нет существенных преимуществ перед традиционными технологиями производства.

В области химии следует основное внимание уделять материалам, используемым при трехмерной печати. Важно обеспечить инертность по отношению к реагентам, учесть возможность выделения нежелательных примесей в реакционную среду. Нужно принимать во внимание пористость и газопроницаемость для некоторых типов 3D-печати (например, при спекании порошка). Качество поверхности для ответственных изделий является важным критерием, может различным образом влиять на поток вещества, к примеру, вызывая турбулентные завихрения в пограничном слое бóльшие, чем в деталях, получаемых механической обработкой, или литых.

Все небезнадежно. Применение новых технологий сильно зависит от условий эксплуатации проектируемой детали и потребностей конструктора. Характеристики 3D-принтеров улучшаются год от года. Возможно, в ближайшее время станет доступно изготовление деталей печатью из металла с толщиной стенок менее 0,5 мм.

Напомним, что Инжиниринговый химико-технологический центр выполняет широкий спектр работ в области химических технологий: НИОКР, масштабирование и пилотирование технологий, изготовление опытных партий и многое другое — как с применением новых технологий, так и более традиционными способами.

Если материал оказался для вас полезным - поддержите проект и поделитесь записью!