ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Тюрина Светлана Александровна к.т.н., доцент кафедры ЦАТ tyurina_s@mirea.ru Центр дистанционного обучения Схема аддитивного производства Подготовка 3D-модели 3D печать Разбиение на слои Готовое изделие Финишная обработка online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Стереолитография (Stereolithography, SLA)технология послойного синтеза, основанная на послойном отверждении жидкой фотополимерной смолы, лучом ультрафиолетового лазера online.mirea.ru Схема технологии стереолитографии (SLA) Центр дистанционного обучения FDM (Fused Deposition Modelling) — технология трехмерной печати за счет расплавления нити пластика Материалы для FDM-печати online.mirea.ru Бытовой 3D-принтер Центр дистанционного обучения Digital Light Processing (DLP) — засветка слоя фотополимера с помощью цифрового проектора Проекторная засветка фотополимерной модели на примере DLP-принтера Фотополимерные пластики с различными физико-механическими свойствами online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Selective Laser Sintering (SLS) — селективное лазерное сплавление online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Selective Laser Melting (SLM) — выборочное лазерное плавление online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru DED-P/LMD/DMD/LENS Технология осаждения газопорошковой струи в среде инертного газа при помощи направленного энергетического воздействия/прямое лазерное выращивание/прямой подвод энергии и материала DED-P (англ. Powder Direct Energy Deposition)/LMD (англ. Laser Metal Deposition)/DMD (англ., Direct Metal Deposition)/LENS (англ.Laser Engineering Net Shape) - осаждение газопорошковой струи в среде инертного газа при помощи направленного энергетического воздействия/прямое лазерное выращивание/прямой подвод энергии и материала. Данная технология позволяет изготовить детали с нуля, добавить сложные конструктивные элементы или оперативно осуществлять ремонт изношенных частей изделий. Достоинства технологии: - быстрый ремонт изношенных поверхностей вышедшей из строя продукции (матрицы, пуансоны, глубокая вытяжка, протяжка, устаревшие части оборудования, детали турбин, исправление ошибок при изготовлении дорогостоящих компонентов); - изготовление изделий с «нуля» (обсадные трубы, сосуды высокого давления, законцовки деталей типа купол, детали с решетчатыми структурами, ребрами жесткости); - наплавка конструктивных элементов на детали, полученных другими аддитивными или традиционными технологиями (износостойкие и коррозионностойкие покрытия, покрытия режущих кромок инструмента, интеграция датчиков высокой температуры/деформации). BeAM Газопорошковая лазерная наплавка DED - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=BBBy8e5cXXg Комплекс используется для осаждения материала при помощи направленного энергетического воздействия (лазер), инертных газов, мелкодисперсных металлических порошков для получения деталей из реактивных и не реактивных металлов и сплавов. MAGIC 800 используется для проведения следующих работ: ▪ ▪ ▪ ▪ ремонта добавления конструктивных элементов деталям, полученным другими технологиями создания деталей сложных форм. MAGIC 800 имеет открытые настройки для возможности использования порошковых металлических материалов сторонних производителей, в том числе российского производства. Общее описание Механически сваренный трубчатый каркас 5 осей 6 регулируемых опор 2 смотровые дверцы Герметичная камера Осаждающая головка Панель пользователя Внешние устройства: • Устройство подачи порошка • Лазер • Охладитель лазера • Охладитель линейного двигателя • Воздухоочистительная система • Электрический шкаф Технология выборочного лазерного плавления металлопорошковых композиций LB-PBF/SLM SLM (Selective Laser Melting) – селективное (выборочное) лазерное плавление – новаторская технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков по математическим CADмоделям. Этот процесс заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством мощного лазерного излучения. Технология выборочного лазерного плавления LB-PBF/SLM (Laser Beam Powder Bed Fusion/Selective Laser Melting) позволяет осуществлять промышленное опытное и мелкосерийное производство металлических изделий посредством 3D печати с высочайшим металлургическим качеством. ПОСТРОЕНИЕ СЛОЯ ВКЛЮЧАЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ОПЕРАЦИИ: • • • металлический порошок наносится на плиту построения, которая закреплена на платформе построения; лазерный луч сканирует сечение слоя изделия; платформа опускается в колодец построения на глубину, совпадающую с толщиной слоя. Построение выполняется в камере SLM-машины, которая заполнена инертным газом (аргоном или азотом). Основной объем газа расходуется на начальном этапе, когда путем продувки из камеры построения удаляется весь воздух. По завершении процесса построения деталь вместе с плитой вынимают из камеры порошкового 3D-принтера, а затем отделяют от плиты, удаляют поддержки и выполняют финальную обработку изделия. ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ: ✓ обеспечивает высокую точность и повторяемость; ✓ механические характеристики изделий, напечатанных на этом типе 3D-принтера, сравнимы с литьем; ✓ решает сложные технологические задачи, связанные с изготовлением геометрически сложных изделий; ✓ сокращает цикл научно-исследовательских и опытноконструкторских работ, обеспечивая построение сложнопрофильных деталей без использования оснастки; ✓ позволяет уменьшить массу за счет построения объектов с внутренними полостями; ✓ экономит материал при производстве. Binder Jetting – 3D печать деталей из металлов и неметаллов, керамики, Основные операции 3D печати Binder Jetting композиционных материалов Нанесение первого тонкого слоя порошка из металлических сплавов, керамики, композиционных материалов и.т.д. на поверхность плиты элеватора печатного бункера Избирательное нанесение связующего агента на дисперсные частицы твердого материала с помощью горизонтального перемещения печатной головки Повторное нанесение порошка поверх сформированного слоя осуществляется с помощью рекоутера и Triple ACT Повторение шагов 2, 3, 4 до завершения процесса построения детали Формирование стенок «зеленой» заготовки в процессе отверждения связующего в матрице твердого материала после полного прохода печатной головки. Плита элеватора печатного бункера опускается горизонтально вниз на глубину равную высоте слоя Извлечение напечатанной детали Binder Jetting – 3D печать деталей из металлов и неметаллов, керамики, композиционных материалов ДОСТОИНСТВА ТЕХНОЛОГИИ: • производительность до 12 000 см3/ч; • разрешение печати (воксельное определение) 30-70 мкм; • стойкость к образованию трещин; • соблюдение точных допусков; • габарит печати по длинной стороне до 750 мм (и это не предел); • более 200 материалов станут доступны в краткосрочной перспективе (вообще, ассортимент материалов значительно превышает таковые в семействе РВF и DED-P); • Имеются научные публикации по многоматериальной печати, например, магнитного сплава Гейслера Ni-Мn-Gа с памятью формы; • полное отсутствие поддерживающих структур, поскольку детали совершенно не испытывают напряжений; • автоматизированное удаление связующего (химический и термический процесс дебайдинга) • спекание порошка без давления по уникальным интеллектульным алгоритмам. Спекание проводится при температуре в 97 процентов от температуры плавления материала печати. Во время спекания детали поддаются усадке, что учитывается заранее, при моделировании детали для печати. В некоторых случаях спекание не производится, проводится выжигание связующего, при котором модель сохраняет свои размеры и теряет в плотности до 60%, а получившиеся пустоты заполняются бронзой. Печать песчано-полимерных литейных форм и стержней. Материал 3D печати: литейный песок, фурановая смола Печать металлокерамических электронных компонентов Материал 3D печати: оксид алюминия Al2O3 Печать металлических волноводов Материал 3D печати: нержавеющая сталь Печать кремниевого корпуса для электроники Материал 3D печати: карбид кремния SC Печать металлических композитных изделий Материал 3D печати: нержавеющая сталь/бронза (90% Cu / 10% Sn) Печать металлокерамических электронных компонентов Материал 3D печати: оксид циркония Zr2O3 Печать песчаных литейных стержней Материал 3D печати: литейный фенольная смола Печать графитового сердечника ротора Материал 3D печати: графит песок, Центр дистанционного обучения LOM (Laminated Object Manufacturing) – изготовление слоистых моделей методом ламинирования online.mirea.ru Центр дистанционного обучения MJM (Multi-jet Modeling) — многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала Материал поддержки Материал Б Печатающая головка Материал А УФ-лампа Поддерживающие структуры Изделие Платформа построения online.mirea.ru Принцип 3D-печати по технологии MJM Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3DP -Three-Dimensional Printing — струйная Система подачи жидкого клея трехмерная печать Выравнивающий ролик Печатающая головка Загрузка порошка Готовый прототип Система подачи порошка Поршень области построения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения CLIP (continuous liquid interface production) – технология непрерывного интерфейсного построения из жидкого полимера online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Энергетика online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Авиация online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Ракетный двигатель Superdraco используются в системе эвакуации при критически важном запуске, предназначенной для доставки астронавтов в безопасное место в случае возникновения чрезвычайной ситуации во время запуска космического корабля Dragon(Инконель). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Примеры крупномасштабных DED в НАСА. A) Сопло со встроенным каналом LP-DED диаметром 60 дюймов (1,52 м) и высотой 70 дюймов (1,78 м) из сплава NASA HR-1, осажденного за 90 дней B) Полуоболочка силовой головки с использованием Inconel 718 C) LP-DED JBK Сопло -75 (без каналов) то есть ½ online.mirea.ru шкалы РС-25. Центр дистанционного обучения Сопло прототипа ракеты с внутренними каналами охлаждения и внешней решеткой (Inconel 718 ) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Теплообменник c секциями для применения в автоспорте. Сложная структура оптимизирована для большой площади поверхности, улучшая online.mirea.ru теплообмен. Центр дистанционного обучения ❖ Проект Mars Dune Alpha направлен на разработку будущих марсианских построек. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Марсоход «Perseverance», приземлился на Марсе в феврале 2021 года, несет на себе 11 компонентов, изготовленных с АТ из металла. Из этих 11 компонентов 6 представляют собой online.mirea.ru теплообменники. Центр дистанционного обучения Материалы для аэрокосмической отрасли ✓ алюминиевые сплавы ✓ нержавеющая сталь ✓ титановые сплавы ✓ суперсплавы на основе Ni и Fe ✓ медные сплавы ✓ сплавы кобальта ✓ тугоплавкие сплавы и стали и др. металлические материалы. Примеры полноразмерных узлов тяговой камеры, прошедших огневые испытания в НАСА MSFC, включая форсунки , камеры сгорания и сопла с канальным охлаждением Топливная форсунка Ni-Cr GE LEAP online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДОСТОИНСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ • малый вес • высокое отношение прочности к весу • простота изготовления • низкая стоимость • виброустойчивость • радиационная стойкость • способность к криогенному упрочнению:Ti-Al, Ni-Al, Fe-Cr-Al НЕДОСТАТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ • плохо переносят повышенные температуры • некоторые высокопрочные алюминиевые сплавы обладают плохой коррозионной стойкостью online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДОСТОИНСТВА НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ ПРИМЕНЕНИЕ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ • • • • ✓ компоненты двигателей и выхлопных систем ✓ гидравлические компоненты ✓ теплообменники ✓ системы шасси ✓ структурные соединения высокое отношение прочности к весу отличная долговечность высокая твердость хорошие механические свойства при повышенных температурах • высокая устойчивость к коррозии и окислению • высокая устойчивость к износу. Ремонт блиска (устранение эрозии на передней кромке)из стали AM355 по технологии DED online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДОСТОИНСТВА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ✓ высокая удельная прочность ✓ отличная коррозионная стойкость ✓ высокотемпературная стабильность ✓ электрохимическая совместимость с композитами полимерной матрицы и углеродного волокна ✓ устойчивость в криогенных условиях ( в баках с ракетным топливом) Пример изготовления опоры зеркала высотой 1,5 м для демонстрации технологии Разъем кронштейна салона Airbus A350 L-PBF из Ti6Al4V online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ДОСТОИНСТВА МЕДНЫХ СПЛАВОВ • высокая прочность • высокая теплопроводность (теплообменники, камеры сгорания жидкостных ракетных двигателей ) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ТУГОПЛАВКИЕ МАТЕРИАЛЫ - Nb, Ta, W используются в приложениях с экстремальными температурами (космические двигатели с радиационным охлаждением) ❖ Помимо монолитных сплавов, аддитивное производство также дает возможность создавать индивидуальные решения из биметаллических и мультиметаллических материалов, добавляя материал локально в конструкцию для оптимизации тепловых или структурных нагрузок. AП предлагает значительные возможности для внедрения новых сплавов, которые обеспечивают более оптимизированную обработку для уменьшения таких проблем, как: ✓ растрескивание ✓ склонность к образованию пор ✓ склонность к окислению 1 2 3 1. Биметаллическая спаренная камера с использованием L-PBF GRCop42 с интегрированным соплом HR-1 DED (2: в комплекте с коллекторами). 3: Биметаллическая камера 40k, построенная с online.mirea.ru использованием вкладыша L-PBF GRCop-42 и кожуха HR-1 DED Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Судостроение Проект 3D-печати корпуса яхты Корабельный гребной винт online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Автомобилестроение online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Медицина online.mirea.ru Центр дистанционного обучения СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ Системы доставки лекарственных средств (СДЛС) это пролонгированные лекарственные формы, в которых лекарственное вещество (ЛВ) растворено или диспергировано в массе носителя, защищено оболочкой или интегрировано в виде прибора. • В качестве носителя и оболочки чаще всего применяют полимеры. Бывают исключения, например, гидроксилапатит. СДЛС создают для ЛВ, требующих регулярного длительного применения, быстро разрушающихся в организме и имеющих узкий химиотерапевтический индекс. Наночастицы, используемые в доставке терапевтических молекул. 1— липосома и аденовирус; 2 —полимерная наноструктура; 3 — дендример; 4 — углеродная нанотрубка Иллюстрация высвобождения лекарства из резервуарных online.mirea.ru СДЛС: а) – трансдермальная система; б) – имплантируемая система Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Строительство online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения НАЗНАЧЕНИЕ БИОСОВМЕСТИМЫХ МАТЕРИАЛОВ Для лечения, восстановления и замены: ▪ кожных покровов, мышечной ткани ▪ кровеносных сосудов ▪ нервных волокон ▪ костной ткани ▪ эндопротезы в травматологии и ортопедии ▪ стоматология (пломбировочные материалы), ▪ челюстно-лицевая хирургия ▪ Системы доставки лекарств ▪ медико-косметические средства (кремы, пасты) Кетгут, хранящийся в мотке в спиртовом растворе в специальной стеклянной банке с притёртой крышкой Хлопок Морская губка Протез выполненный из дерева и обтянутый лоскутами кожи для фиксации 1065-740 г. до н.э. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ТРЕБОВАНИЯ К БИОСОВМЕСТИМЫМ МАТЕРИАЛАМ: • химические свойства –отсутствие нежелательных химических реакций с тканями и межтканевыми жидкостями –отсутствие коррозии, или растворение с контролируемой скоростью • механические свойства –прочность ( σс) –трещиностойкость( КIc) –сопротивление замедленному разрушению (усталости) ( n в log(t/τ) = –nlog(σ/σc) ) –износостойкость • биологические свойства –отсутствие реакций со стороны имунной системы (биосовместимость) –срастание с костной тканью –стимулирование остеосинтеза ✓ возможность удобной и эффективной стерилизации; ✓ устойчивость при хранении в течение длительного времени; ✓ технологичность процесса изготовления при серийном производстве. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ПО ХАРАКТЕРУ ОТКЛИКА ОРГАНИЗМА НА ИМПЛАНТАТ: ТОКСИЧНЫЕ БИОИНЕРТНЫЕ БИОАКТИВНЫЕ БИОРЕЗОРБИРУЕМЫЕ окружающие ткани отмирают при контакте нетоксичные, но биологически неактивные нетоксичные, биологически активные, срастающиеся с костной тканью происходит замена материала костной тканью online.mirea.ru Центр дистанционного обучения КАТЕГОРИИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В БИОМЕДИЦИНСКОЙ ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА • полиэтилен высокой плотности (HDPE) • полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE) • политетрафторэтилен (PTFE) • полипропилен (PP) • полиметилметакрилат (PMMA) • гидрогели (например, полиоксиэтилметакрилат (PHEMA)) • полиамиды (нейлон) и полиимиды • полиэфиры (например, полиэтилентерефталат (PET)) • биоразлагаемые полиэфиры (PGA, PLA) • полиуретаны • силиконы и др. • • • • ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В КОНТАКТЕ С ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ ТЕЛОМ полиэтилен низкой плотности (ПЭВД) поливинилхлорид (ПВХ) полиакрилонитрил (Пан) полисульфоны. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕ В КОНТАКТЕ С ЧЕЛОВЕЧЕСКИМ ОРГАНИЗМОМ (БИОМЕДИЦИНСКИЕ ПРИБОРЫ) • полистирол (PS, PST) • сополимеры (SAN, ABS) • поликарбонат (PC) Шовный материал (полигликолид) трикотажного сосудистого протеза Dacron online.mirea.ru Центр дистанционного обучения НАИБОЛЕЕ ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МЕТАЛЛЫ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ Материал Свойства Нержавеющая сталь Низкая стоимость изготовления Сплавы кобальта- хрома Co-Cr-Mo Co-Cr-W-Ni Высокая стоимость, высокая плотность и модуль, трудны для изготовления Высокая стоимость, низкая плотность и модуль, хорошая костная интеграция Сплавы титана ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МЕТАЛЛАМ: ✓ Биосовместимость; ✓ Не токсичность; ✓ Не аллергенность; ✓ Коррозионная стойкость (в частности, питтинг и щелевая коррозия); ✓ ✓ ✓ Применение Хирургическая проволока, шпилька, пластина, винты, интрамедуллярные гвозди Хирургическая проволока, интрамедуллярные гвозди Хирургическая проволока, шпилька, пластина, винты, интрамедуллярные гвозди Адекватные механические характеристики; Высокая износостойкость. Механические свойства металла должны соответствовать требованиям конкретного применения в организме человека online.mirea.ru Центр дистанционного обучения подготовки: ИПТИП, кафедра цифровых и аддитивных технологий, направление 22.03.01/22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» КЕРАМИЧЕСКИЕ БИОМАТЕРИАЛЫ Широко используются в качестве биокерамики: ✓ оксид алюминия (Al2O3), ✓ оксид циркония (ZrO2), ✓ карбид кремния (SiC) ✓ нитрид кремния (Si3N4) ✓ Гидроксиапатитовая керамика Кости черепа 𝑨𝒍𝟐 𝑶𝟑 , HАp, стеклокерамика Отоларингология Зубные имплантаты (𝑨𝒍𝟐 𝑶𝟑 ) Стабилизаторы позвоночника 𝑨𝒍𝟐 𝑶𝟑 , HAp Эндопротезирование ZTA Эндопротезирование коленей ZTA Дефекты костей и суставов HAp Замена костей HAp online.mirea.ru Центр дистанционного обучения подготовки: ИПТИП, кафедра цифровых и аддитивных технологий, направление 22.03.01/22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» ПРАКТИКУЕТСЯ ПЕЧАТЬ СЛЕДУЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ: • Макеты органов, тканей и костей при планировании операций; • протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии; • ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы; • слуховые аппараты; • мастер-модели для медицинских изделий; • прототипы корпусов медицинских приборов; • продукция медицинской косметологии. Модели кровеносного сосуда и аневризмы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В МЕДИЦИНСКИХ ЦЕЛЯХ ▪ выборочное лазерное спекание (SLS) использоваться для создания металлических, пластиковых и керамических объектов. ▪ термографическая струйная печать (TIJ)применяться для печати простых 2D и 3D тканей и органов (биопрототипирование), а также для других сложно устроенных применений, таких как поставка лекарственных средств и трансфекция генов при создании ткани. ▪ моделирование методом наплавления (FDM). online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ❖ Двухмерные (2D) рентгенографические снимки: рентгенограмма, магнитно-резонансная томография (МРТ) или компьютерная томография (КТ) можно преобразовать в цифровые 3D-файлы печати, что позволяет создавать сложные, индивидуальные анатомические и медицинские структуры. Напечатанный хирургический шаблон Типичный пример 3D-печати в медицине: предоперационный макет online.mirea.ru из фотополимера, изготовленный на принтере ProtoFab Центр дистанционного обучения Конструкция трехстворчатого клапана на основе ePTFE для транскатетерной доставки Прототип трехстворчатого сердечного клапана на основе POSS-PCUU «Решетчатые материалы»: а – 1,6-гександиолдиакрилат (HDDA); б – трубчатый металл Ni-P; в – трубчатая алюминиевая керамика; г – твердая алюминиевая керамика; д–з – соответствующие снимки с увеличением ✓ Применение 3D-печати (микростереолитография или селективного лазерное спекание) позволяет управлять анизотропией материала в различных слоях и участках створчатого аппарата за счет контроля толщины нити полимера, ее кривизны и направления. ✓ Подобный подход делает возможной глубокую оптимизацию энергетической эффективности клапана (гидродинамических показателей), а также распределения механического напряжения, лежащих в основе его долговечности. ✓ Данное направление имеет название «решетчатые ✓ материалы» (lattice materials) . Основной принцип заключается в создании 3D-паттерна на базе трехмерной модели ячейки с заданными механическими свойствами в направлении предполагаемой деформации. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ❖ В 2019 году израильские ученые впервые создали на 3D-принтере человеческое сердце с кровеносными сосудами и клеткам. ❖ Напечатанный орган состоит из жировых клеток пациента, которые были преобразованы в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, а затем смешаны с соединительной тканью и помещены в 3D-принтер online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Когда толщина созданной ткани превышает 150-200 мкм, она превосходит ограничения для диффузии между хозяином и трансплантированной тканью. В результате, комплекс биопрототипирования 3D-органов потребует строения точной многоклеточной структуры с интеграцией сосудистой сетки. Большинство органов, требующихся для трансплантации, такие как почки, печень и сердце являются густыми и сложными. Клетки в этих крупных органных структурах не могут сохранять свои метаболические функции без васкуляризации, которая обычно обеспечивается кровеносными сосудами.Поэтому функциональная сосудистая система должна быть биопрототипирована в изготовленном органе для снабжения клеток кислородным обменом, газообменом, питательными веществами, факторами роста и уничтожением отходов, все это необходимо для созревания во время перфузии. Изготовление «васкуляризированной» конструкции PDMS: а) виртуальное представление желаемых каналов, б) структура сахарного стекла в процессе 3D-печати, в) вид сверхуструктуры сахарного стекла, включая входные и выходные отверстия и интегрированную внешнюю форму, г) вид сверху структуры сахарного стекла после опорных нитей из сахарного стекла были удалены, e) изометрический вид временной структуры сахарного стекла перед отливкой PDMS, f) структура сахарного стекла после заливки PDMS, g) конструкция PDMS после сахарного стеклаудаление, online.mirea.ru з) конструкция ПДМС с водой красного цвета, введенной в каналы Центр дистанционного обучения ВАСКУЛЯРИЗАЦИЯ —формирование новых кровеносных сосудов (обычно капилляров) внутри ткани. Различные «васкуляризированные» конструкции PDMS, полученные путем быстрого литья с использованием сахарного стекла: a) одноканальная конструкция PDMS, b) 3-канальная конструкция PDMS перед растворением сахарного стекла c) ручная перфузия одноканальной конструкции PDMS, d) насосная перфузия 3-канальной конструкции PDMS e) 4-канальнаявременная сетка из сахарного стекла перед отливкой из ПДМС, online.mirea.ru f) 4-канальная конструкция из ПДМС после растворения сахарного стекла Центр дистанционного обучения Серия изображений, сделанных с интервалом в 1 с, демонстрирует переход чистой воды в окрашенную во время перфузии 3-канальной конструкции PDMS; цифры указывают время в секундах с начала перехода online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Трехканальная «васкуляризованная» агарозная конструкция, полученная методом быстрого литья с использованием 3D-печати из сахарного стекла и подключенная к перистальтическому насосу перед перфузией Перфу́зия — метод подведения и пропускания крови, кровезамещающих растворов и биологически активных веществ через сосудистую систему органов и тканей организма. Кроме того, перфузией называют кровоснабжение органов в естественных условиях. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЕ online.mirea.ru Эндопротезы тазобедренного сустава Центр дистанционного обучения Применение 3D-технологий в стоматологии элайнер ✓ Литьевые модели частичных съемных пластинчатых протезов (Cr-Co) ✓ Диагностические модели ✓ Элайнеры online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ПРИМЕНЕНИЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ В ТРАВМОТОЛОГИИ И НЕЙРОХИРУРГИИ ✓ Использование заранее подготовленных, кастомизированных имплантатов сокращает время операции как минимум на 20%. ✓ Использование титана обеспечивает необходимую биосовместимость, а пористая структура изделий способствует полноценной остеоинтеграции. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ПРИМЕНЕНИЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗГТОВЛЕНИИ ПРОТЕЗОВ И ОРТЕЗОВ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Одновременная печать половинок формы с помощью двух настольных 3D-принтеров. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3D- ПЕЧАТЬ СЛУХОВЫХ АППАРАТОВ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ Системы доставки лекарственных средств (СДЛС) это пролонгированные лекарственные формы, в которых лекарственное вещество (ЛВ) растворено или диспергировано в массе носителя, защищено оболочкой или интегрировано в виде прибора. • В качестве носителя и оболочки чаще всего применяют полимеры. Бывают исключения, например, гидроксилапатит. СДЛС создают для ЛВ, требующих регулярного длительного применения, быстро разрушающихся в организме и имеющих узкий химиотерапевтический индекс. Наночастицы, используемые в доставке терапевтических молекул. 1— липосома и аденовирус; 2 —полимерная наноструктура; 3 — дендример; 4 — углеродная нанотрубка Иллюстрация высвобождения лекарства из резервуарных online.mirea.ru СДЛС: а) – трансдермальная система; б) – имплантируемая система Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ПРАКТИКУЕТСЯ ПЕЧАТЬ СЛЕДУЮЩИХ ИЗДЕЛИЙ: • Макеты органов, тканей и костей при планировании операций; • протезы, имплантаты, хирургические шаблоны в хирургии и стоматологии; • ортопедические стельки, корсеты и другие ортезы; • слуховые аппараты; • мастер-модели для медицинских изделий; • прототипы корпусов медицинских приборов; • продукция медицинской косметологии. Модели кровеносного сосуда и аневризмы online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ❖ В 2019 году израильские ученые впервые создали на 3D-принтере человеческое сердце с кровеносными сосудами и клеткам. ❖ Напечатанный орган состоит из жировых клеток пациента, которые были преобразованы в стволовые клетки сердечно-сосудистой мышцы, а затем смешаны с соединительной тканью и помещены в 3D-принтер online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЕ online.mirea.ru Эндопротезы тазобедренного сустава Центр дистанционного обучения Применение 3D-технологий в стоматологии элайнер ✓ Литьевые модели частичных съемных пластинчатых протезов (Cr-Co) ✓ Диагностические модели ✓ Элайнеры online.mirea.ru Центр дистанционного обучения EBM (Electron Beam Melting — электронно-лучевая плавка) — один из методов 3D печати, который используется для производства металлических изделий. Моделирование при помощи электронного пучка в вакууме по своему принципу напоминает технологии SLS или DMLS, но отличается более высокими показателями качества готовых объектов. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ПРИМЕНЕНИЕ 3D-ТЕХНОЛОГИЙ В ТРАВМОТОЛОГИИ И НЕЙРОХИРУРГИИ ✓ Использование заранее подготовленных, кастомизированных имплантатов сокращает время операции как минимум на 20%. ✓ Использование титана обеспечивает необходимую биосовместимость, а пористая структура изделий способствует полноценной остеоинтеграции. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Одновременная печать половинок формы с помощью двух настольных 3D-принтеров. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения 3D- ПЕЧАТЬ СЛУХОВЫХ АППАРАТОВ online.mirea.ru Центр дистанционного обучения СУПЕРСПЛАВЫ на основе Ni и Fe ключевые материалы для изготовления дисков и лопаток турбин высокого давления для газотурбинных двигателей. превосходные механические свойства при экстремально высоких температурах, высоком давлении и агрессивных средах существенно повышают эффективность современных авиационных двигателей ПРИМЕНЕНИЕ ✓ высокотемпературные устройства ✓ криогенные устройства (клапаны, турбомашины , форсунки , воспламенители и коллекторы) ✓ в водородных приложениях высокого давления (ракетные двигатели) Примеры AM , используемых в турбонасосах с жидким водородом и жидким кислородом в NASA MSFC. Vдвиг≥90 000 об/мин online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ И РЕШЕТЧАТЫЕ СТРУКТУРЫ • • • • • • • легкость конструкции высокие механические характеристики хорошая способность поглощать энергию надежные тепловые характеристики интересные акустические характеристики энергопоглощающие свойства уменьшение инерции вращения (улучшает рабочие характеристики-снижение пускового момента , снижение тормозного момента) Кронштейн шарнира гондолы Airbus A320 . Слева: процесс проектирования Справа: оригинальный кронштейн (вверху) и окончательная конструкция, оптимизированная для АП (внизу) Оригинальный стальной кронштейн = 918 г; Кронштейн АП из Ti6Al4V = 326 г. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения КОНЦЕПЦИЯ ОБЛЕГЧЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ ❑ снижение затрат на топливо за счет уменьшения массы самолетов и космических кораблей ❑ сокращение выбросов ❑ снижение загрязнения окружающей среды Процесс ТО кронштейна антенны для спутников Sentinel-1C и Sentinel-1D online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Применение аддитивных технологий: Пищевая промышленность online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Материалы для аддитивных технологий ПОЛИМЕРЫ МЕТАЛЛЫ КЕРАМИКА online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Материалы для аддитивных технологий: Полимеры • ABS • PLA • Нейлон • Поликарбонат • Полиамид • Полистирол • Поливиниловый спирт • Поливинилацетат online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Материалы для аддитивных технологий: Металлические порошки • Сталь нержавеющая • Сталь инструментальная • Кобальт-хромовые сплавы • Никелевые сплавы • Титановые сплавы • Бронзы • Алюминиевые сплавы • Драгоценные металлы (Au, Ag, Pt) online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Сравнение морфологии исходного порошка и порошка, прошедшего плазменную обработку: a – вольфрам до обработки; б – вольфрам после обработки d50 =50 мкм; в – SiO2 до обработки; г – SiO2 после обработки online.mirea.ru ГАЗОВАЯ АТОМИЗАЦИЯ VIGA – Vacuum Induction Melt Inert Gas Atomization - технология газового распыления металла, расплавленного в вакуумной камере, методом индукционного нагрева. Фракционный состав порошка в зависимости от расхода металла через сливной канал (20, 22 и 25 кг/мин) Схема атомайзера VIGA Атомайзеры типа VIGA применяется, в частности, для получения следующих порошков: •никелевые жаропрочные сплавы (например, Inconel 718, Rene 88 и т.д.) для деталей авиационных и стационарных турбин; •сплавы на основе кобальта для использования в медицине, стоматологии и производстве мишеней ионного распыления; •порошки для плазменного напыления (например, NiCrAlY, CoCrAlY, и т. д.) защитных покрытий на детали из жаропрочных сплавов; •порошки для гранульной металлургии (например, 17-4 PH, 316L) для автомобильных деталей массового производства; •композиции для спекания в порошковом слое (например, кобальтовые сплавы и драгоценные металлы) для применения в AM-машинах; •высоколегированные стали (например, инструментальная и быстрорежущая сталь) с очень высоким содержанием карбидов; •цветные металлы (например, медные или оловянные сплавы) для различного применения. СЭМ-изображения частиц, полученных при помощи газовой атомизации ❖ Методы газовой атомизации позволяют получать мелкодисперсные порошки со сферической формой частиц при достаточно высокой производительности процесса с контролируемой дисперсностью порошка и обеспечивают высокий выход годного по фракции порошка. Микроструктура (а – x1500; б – x500) поверхности гранул порошка сплава ЭП648-ВИ (Сплав ХН50ВМТЮБ) Сталь марки ЭП648 относится к группе жаропрочных и жаростойких сплавов, которые отличаются устойчивостью к деформациям, вызванным воздействиям высоких температур и механическими воздействиями. Центр дистанционного обучения Материалы для аддитивных технологий: Керамика • ZrO2 • Al2O3 • Al2O3-SiO2 • TiO2 • TiC-Al2O3 • SiC • Si3N4 • Гидроксиапатит (HA) • Биостекла online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Био́ника (др.-греч. βίον «живущее») (биомиметика)— прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Леонардо да Винчи первым стал изучать механику полета живых моделей с позиций бионики. Он пытался построить летательный аппарат с машущими крыльями. Леонардо да Винчи, изучив плавательные органы водоплавающих птиц, скопировал их в первых ластах Леона́рдо ди сер Пье́ро да Ви́ нчи — итальянский художник и учёный, изобретатель, писатель, музыкант, один из крупнейших представителей искусства Высокого Возрождения. Чертежи орнитоптера online.mirea.ru Чертежи ласт Центр дистанционного обучения «БИОлогия» и «техНИКА», что означает учиться у природы технике завтрашнего дня. Орнитоптер Джорджа Уайта (англ. George R. White) на мускульной тяге, 1927 год. Аппарат разбился во время тестового полёта. Орнитоптер Эдварда Фроста из ивы, шёлка и перьев, 1902 год. Самолет Миг-35 online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Глаз стрекозы считается самой сложной структурой глаза среди всех насекомых. Каждый глаз содержит около 30 000 линз. Эти глаза занимают почти половину головы и дают насекомому очень широкое поле зрения, благодаря которому она может видеть даже то, что происходит у неё за спиной. Учеными Калифорнийского университета Беркли создан миниатюрный, размером с булавочную головку искусственный глаз, конструктивно аналогичный фасеточным глазам насекомых. Также как у стрекоз, пчел или мух, искусственный глаз имеет полусферическую форму для широкого панорамного обзора и образован мозаикой из тысяч микроскопических линз. Застежка –липучка, изобретение online.mirea.ru Жоржа де Местраля Центр дистанционного обучения Сочетание формы, расположения и состава кожных зубчиков играет важную роль в обтекаемости тела животного. Ярко выраженные рельефные выступы на зубчиках у белой акулы создают гидродинамический эффект, сравнимый с аэродинамическим эффектом, который наблюдается при движении мячика для гольфа. Наличие мельчайших выступов и впадинок в результате заметно уменьшает турбулентность. По расчётам учёных, кожа самых быстрых видов снижает сопротивление воды в среднем на 8-12%. За счёт уменьшения сопротивления акула-мако, взъерошивая чешую, развивает скорость до 80 км/ч. Кроме того, гидродинамические свойства зубчиков дают ещё один весьма полезный охотнику эффект — бесшумность. Установлено, что кроме уменьшения сопротивления, кожные зубчики действуют как мощный вихревой генератор, увеличивая подъемную силу аппарата. Назначение генератора – изменение потока воздуха над поверхностью движущегося объекта, чтобы делать его более аэродинамическим. Выяснилось, что аэродинамические свойства можно улучшить на 323% (!) по сравнению с крылом online.mirea.ru традиционной конструкции. Центр дистанционного обучения Клюв веретенника Высокоскоростной поезд, V=300 км/ч online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Парусник – это меч-рыба с турборежимом. Высокая подвижность нужна для того, чтобы парусник мог догнать мелких и быстрых рыбешек, которыми питается. Конструкторы McLaren воспроизвели текстуру чешуи парусника на внутренних поверхностях воздухозаборников гиперкара McLaren P1. Элементы чешуи парусника создают при движении микроворонки, и в итоге рыба передвигается как бы в собственном пузыре воздуха, а не в гораздо более плотной воде. Снижение сопротивления среды позволяет паруснику набирать очень высокую скорость. В итоге объем поступающего к двигателю воздуха возрос на 17%, что улучшило характеристики автомобиля: он оборудован гибридным двигателем суммарной мощностью 903 л.с., и этому мотору требуется много воздуха - как для создания горючей смеси, так и для охлаждения. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Гидрофобные покрытия Микрофотография «нанотравы» из кремниевых стержней (кремниевые стержни диаметром 350 нм и высотой 7 мкм отстоят друг от друга на расстоянии 1 мкм) Схема расположения капли на «нанотраве» Капли воды на листьях лотоса online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Эйфелева башня возведена по принципу строения берцовой кости человека. Архитектор хотел создать мощную конструкцию при минимуме доступного материала. Кость внутри устроена, как пористая губка, а ее оболочка состоит из крошечных пучков волокон: получается фрактал, в котором целое имеет ту же форму, что и часть. Так и Эйфелева башня в большей степени состоит не из железа, а из пространства между железными нитями: это и способствует визуальной легкости и прочности конструкции. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Основные направления работ по бионике: ▪ Архитектурная бионика – разрешает архитектурные проблемы с помощью изобретений живой природы. ▪ Нейробионика - разрабатывает искусственные системы, способные к самоорганизации. ▪ Биологическая бионика изучает процессы, происходящие в живых системах. ▪ Теоретическая бионика строит математические модели этих процессов. ▪ Техническая бионика применяет модели теоретической бионики для решения инженерных задач. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Бионический или генеративный дизайн Автомобиль Mercedes-Benz Bionic Облегченная конструкция Бионический (топонимический, генеративный) дизайн – это способ проектирования различных объектов, при котором для снижения веса и увеличения прочности применяются отличные от традиционных решения. Рыбка кузовок online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Бионический или генеративный дизайн Концепт спортивного автомобиля EDAG Light Cocoon online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Формирование решетчатой структуры Электромотоцикл Light Rider с бионической рамой, «напечатанной» на 3D-принтере, весит 35 кг. Выигрыш по массе обеспечивает конструкция рамы сложной формы, при создании которой использовались технологии оптимизации, опирающиеся на бионические принципы, и аддитивные технологии (DMLS, Direct Metal Laser Sintering – прямое лазерное спекание металлопорошка). Электромотоцикл Light Rider с бионической рамой online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Пример оптимизации конструкций обода колеса автомобиля. В качестве основы, заимствованной из живой природы, послужили диатомовые водоросли Arachnoidicus (одноклеточный планктонный организм), за счет бионического дизайна, компьютерного инжиниринга и оптимизации снижен веса обода на 20%. Сама конструкция может быть изготовлена из композиционных материалов, укрепленных углеволокном. Оптимизация обода колеса автомобиля на основе водоросли Технология ELiSE применяется и для оптимизации конструкций опор морских ветровых энергетических установок. В качестве основы, заимствованной из живой природы, служит скелет радиолярии (одноклеточный планктонный организм). За счет бионического дизайна и оптимизации удается достигнуть снижения веса ВЭУ на 48% с 770 до 400 т и лучшего распределения нагрузки . online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Павильон «Радиолярия» а – сразу после печати; б – после окончания процесса шлифовки. Высота конструкции – 2 м Схема гигантского принтера. Вертикальные колонны удлиняются до 9-12 м. Электропневматическое устройство поднимает раму с печатающей головкой с шагом 0,1 мм. Головка оснащена 300 соплами, управляемыми сервомоторами. online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ❖ Использование бионических принципов может затрагивать создание: опорных конструкций, оптимизацию распределения нагрузок, освещение и энергообеспечение здания. Идея концепта – создание строения, которое органично вписывается в окружающую экосистему и, подобно живому организму, реагирует на изменения внешних факторов. Проект Bionic Tower дизайнерской студии LAVA online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Топологическая оптимизация Тазобедренный имплантат MUGETO со встроенными полостями для депо лекарственного средства и решётчатой структурой для снижения массы и улучшения остеоинтеграции Разработка изделия с решётчатой структурой и его анализ с помощью Autodesk Within online.mirea.ru Центр дистанционного обучения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ✓ снижение массы (на 50 %) ✓ снижение количества деталей (со 150 до 25) ✓ сокращение времени выполнения заказа ✓ повышение жесткости ✓ сокращение возможных мест отказа в 6 раз ❖ Уменьшение массы конструкций CubeSat позволяет увеличить количество малых спутников на одну полезную нагрузку и снизить затраты на вывод этих спутников на орбиту Структура шины миниатюрного спутника CubeSat решетки AFIT после ТО и создания online.mirea.ru решетчатых структур Центр дистанционного обучения Механизм развертывания спутниковых солнечных панелей – «шарниры Adel'light для солнечных батарей спутников» • • • уменьшение массы конструкции в 5 раз снижение стоимости в 4 раза уменьшение общего количества компонентов в 10 раз за счет консолидации деталей Спутниковая сэндвич-панель «Двухфазный теплораспределитель» online.mirea.ru Центр дистанционного обучения КОНСОЛИДАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ - заметное преимущество применения методов аддитивного моделирования в аэрокосмических приложениях. Аддитивные технологии объединили: ✓ 248 отдельных компонентов головки инжектора ракеты Ariane 6 в единый компонент; ✓ 115 элементов форсунок ракетных двигателей в 2 компонента. Сопло прототипа ракеты Cellcore с внутренними каналами охлаждения online.mirea.ru Центр дистанционного обучения ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОНСОЛИДАЦИИ ДЕТАЛЕЙ ✓ сокращение операций сборки ✓ минимизация использования традиционных методов соединения (болтовое крепление, сварка, пайка, методы химического соединения) ✓ снижает потребность в квалифицированной рабочей силе ✓ снижение потребности в инструментах, необходимых для изготовления компонентов с помощью традиционных методов производства ✓ меньшее количество компонентов, требующих сертификации и сопутствующей документации ✓ снижение потребности в складировании компонентов и устаревших компонентов ✓ общее снижение затрат Статор турбонасоса двигателядемонстратора аддитивного производства на жидком кислороде online.mirea.ru Центр дистанционного обучения Группа в Telegram «Материаловедение и аддитивные технологии» https://t.me/Materialwissenschaft_AM Спасибо за внимание! Тюрина Светлана Александровна к.т.н., доцент кафедры ЦАТ online.mirea.ru tyurina_s@mirea.ru
