У межах проєкту «Супрамолекулярний дизайн і прінт-технології 3D-друку функціональних композитів на основі вуглецевих наноматеріалів» (2020–2021 рр.) за ґрантом Національної академії наук України для молодіжної дослідницької лабораторії в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України у Києві створено науково-дослідну лабораторію 3D друку. Виконавцями проєкту й авторами ідеї створення цієї лабораторії є молоді вчені нашої Академії – старший науковий співробітник відділу фізики і хімії поверхні Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України кандидат хімічних наук Олександр Золотаренко (науковий керівник проєкту) і старший науковий співробітник відділу водневого матеріалознавства та вуглецевих наноструктур Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України кандидат хімічних наук Анатолій Золотаренко (відповідальний виконавець). Розповідаємо про останні тенденції у розвитку технологій 3D друку і пояснюємо, чому важлива новостворена лабораторія і що корисного вона вже робить і ще може зробити для українських науковців і виробничників.
Технологія 3D друку зараз надзвичайно актуальна і в наукових дослідженнях, і у промисловому виробництві. Використання технологій 3D друку дозволяє створювати необхідні вироби з мінімальними витратами матеріалів. Крім того, при цьому мінімізуються енерго- й виробничі витрати на виготовлення складних виробів, а отже, зменшується собівартість останніх. Технології 3D друку відіграють велику роль у розвитку автоматизації різних машинобудівних і будівельних підприємств, виробництва сувенірних прикрас, іграшок, протезів тощо.
3D друк – це процес перетворення витратного матеріалу на тривимірний продукт або виріб за допомогою комп’ютерного 3D моделювання. Зазвичай ця процедура полягає у пошаровому нанесенні витратного матеріалу з його фіксацією.
3D принтер – це пристрій із програмним забезпеченням і управлінням для реалізації адитивних дій (простіше кажучи, виробництва) 3D виробів.
3D продукт (або 3D виріб) – це віддрукований 3D принтером тривимірний продукт або виріб із витратного матеріалу при використанні комп’ютерного 3D моделювання.
Створення нових витратних матеріалів для технологій 3D друку дає змогу виготовляти нові вироби з різною міцністю, легкістю й чутливістю до випромінювань різної довжини хвилі. Такі нові речовини і матеріали для технологій 3D друку є ключем до технологій майбутнього. Особливо коли при їх створенні використовують результати сучасних нанотехнологій на кшталт вуглецевих наноструктур (ВНС). Сьогодні ВНС при їх додаванні в матрицю (полімер, кераміку, гіпс та інші) збільшують її міцнісні характеристики удвоє–втроє.
Але не всі технології 3D друку можуть використовувати ВНС. До адитивних технологій, здатних використовувати ВНС, належать такі типи 3D друку: FDM, CJP, SLA та SLS.
FDM (Fused Deposition Modeling) – це технологія 3D друку, що використовує метод екструзії твердих полімерів або їхніх композитів (наприклад, твердий полімер – нерозчинні ВНС) як витратний матеріал для створення 3D продукту. 3D друк здійснюється методом пошарового наплавлення розплавленої нитки твердого полімеру або його композиту, що подається із бухт.
CJP або 3DP (ColorJet Printing) – це технологія 3D друку, за якої як витратні елементи застосовуються сипкі порошкові матеріали і сполучні (склеювальні) речовини. 3D друк здійснюється пошаровим нанесенням сипкого матеріалу (кераміки, гіпсу, пластику й інших) або суміші (наприклад, кераміки з ВНС), після чого кожен шар обробляється сполучною речовиною. Сполучна речовина не тільки склеює, а й може фарбувати частинки у потрібних місцях, формуючи 3D виріб. Такі матеріали у вигляді 2D і 3D виробів застосовуються в авіаційній і космічній техніці, хімічному машинобудуванні, створенні індивідуального бронезахисту й інших сферах.
SLA або STL / LFS, DLP, LCD (Stereolithography) – це технологія 3D друку, що використовує метод лазерної стереолітографії – полімеризацію рідкого полімеру або його суспензій (наприклад, рідкого полімеру – ВНС) – як витратний матеріал при створенні 3D продукту. Ця технологія ґрунтується на пошаровому твердінні рідкого полімеру під впливом лазерного променя. Рідкі полімери для технології SLA – це фотополімери, що змінюють фізико-хімічні властивості (наприклад затвердіння) при опроміненні ультрафіолетовим світлом. У 3D принтері з технологією SLA джерело ультрафіолетового світла замінено лазерним променем. Лазерний промінь у різних моделях 3D принтерів SLA має різну довжину хвилі, потужність і тривалість імпульсу на фокусну точку. Всі ці параметри лазерного променя розраховуються залежно від типу використовуваного рідкого полімеру або його суспензій, а також від кроку друку 3D принтера й умов навколишнього середовища (температури, тиску тощо). Наразі це єдина технологія 3D друку, в якій можуть використовуватись усі види ВНС (розчинні й нерозчинні).
SLS (Selective Laser Sintering) – це технологія 3D друку, що полягає у пошаровому спіканні сипких порошкових твердих полімерів або їхніх композитів (наприклад, твердого полімеру – нерозчинних ВНС) за допомогою лазерного променя. Принцип роботи 3D друку технології SLS поєднує в собі технологію CJP звикористанням сипких матеріалів і технологію SLA за методом спікання полімерів лазерним променем. Безпосередньо перед 3D процесом друку витратний матеріал (подрібнений твердий полімер або його композит) розігрівається практично до температури плавлення, після чого промінь лазера спрямовується на фокусні ділянки витратного матеріалу, спікаючи їх між собою шар за шаром.
За фінансової підтримки в межах ґранту НАН України для молодіжних дослідницьких лабораторій/груп (2019–2020 рр.) й із залученням трьох академічних установ – Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України й Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України – у рамках молодіжного проєкту «Супрамолекулярний дизайн і прінт-технології 3D-друку функціональних композитів на основі вуглецевих наноматеріалів» і на основі експериментальних результатів, отриманих під час його виконання, створено науково-дослідну лабораторію 3D друку, яка виготовляє та використовує при 3D друці наноструктурні композити на основі полімерів і кераміки, наповнені (модифіковані) вуглецевими наноструктурами. Ідея створення лабораторії належить братам-близнюкам, які працюють у Національній академії наук України, – науковому керівникові цього проєкту, старшому науковому співробітнику відділу фізики і хімії поверхні Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України кандидату хімічних наук Олександрові Золотаренку та відповідальному виконавцю проєкту, старшому науковому співробітникові відділу водневого матеріалознавства та вуглецевих наноструктур Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України кандидату хімічних наук Анатолієві Золотаренку.
 Кандидати хімічних наук Анатолій Золотаренко (ліворуч) і Олександр Золотаренко |
Лабораторію обладнано: двома витяжними шафами з витяжною вентиляцією, водопостачанням та електромережею (рис. 1) – для роботи з леткими хімічними речовинами; хімічно стійкими столами (рис. 2) – для обробки готових 3D виробів і приготування композитів (полімер або кераміка – вуглецеві наноструктури), придатних для технологій 3D друку FDM, CJP, SLA, SLS. Для зберігання хімічно активних речовин у лабораторії встановленодві шафи з витяжною системою – для різних класів хімічних реагентів (рис. 3). Хімічний посуд зберігається в окремих шафах (рис. 3).
Спираючись на власний досвід і результати досліджень, описані в наукових публікаціях інших учених, що досліджували технології 3D друку й методи синтезу, вивчення і застосування вуглецевих наноструктур (ВНС), молоді науковці Академії обрали, закупили та вдосконалили 3D принтери (рис. 4–6). Обрані моделі принтерів належать до бюджетних варіантів технологій SLA та FDM, але при цьому дають змогу створювати 3D вироби з композитних матеріалів (полімер – ВНС), отриманих у новій лабораторії Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України.
 Рис. 1. Витяжні шафи для роботи з агресивними хімічними речовинами |
Сьогодні в лабораторії 3D друку вже отримують витратні композитні матеріали для чотирьох технологій 3D друку: FDM, CJP, SLA та SLS. Це сипкі механічні суміші для технології 3D друку CJP і грануляти або ниткові бухти для технологій 3D друку FDM та SLS. Не менш важливими є розроблення й синтез нових розчинів, що містять ВНС для технологій 3D друку SLA.
Найбільш складний і громіздкий процес у лабораторії – виготовлення нових композитів. Спочатку синтезуються й обробляються ВНС, потому їх вмішують у полімер. Отриманий композит подрібнюють у спеціальному шредері (рис. 7) до необхідної дисперсності. Отриманий гранулят використовують у технології 3D друку SLS. Отриману композитну крошку можна обробляти й експортувати як готову продукцію (рис. 8 (ліворуч)). Але для технології 3D друку FDM композитну крошку необхідно переробляти методом екструзії в композиційну нитку (рис. 9), що зберігається у бухтах, запакованих у герметичні пакети (рис. 8 (праворуч)). Робочі температури виготовленнянитки можуть сягати 300–400 0С (рис. 4–6). Тобто в цій науково-дослідній лабораторії 3D друку створено повний цикл виготовлення бухт для FDM 3D друку з композиційних матеріалів (твердий полімер + ВНС) як комерційного продукту.
 Рис. 2. Хімічно стійкі столи навпроти витяжних шаф |
Продуктом екструдера є композитна нитка, що зберігається у бухтах.
Продукти науково-дослідної лабораторії 3D друку Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України – композитну крошку й композитні нитки в бухтах – уже сьогодні можна пропонувати на ринок. Основна проблема експорту полягає в малій потужності виробництва продукції лабораторією 3D друку. Та завдяки виконаним дослідженням можна створити потужні виробництва композитних матеріалів, що містять ВНС для 3D друку.
Лабораторія обладнана також допоміжними шафами для зберігання технічних елементів і матеріалів, необхідних для створення нових композитів (полімер–ВНС) і їх використання у роботі 3D принтерів. Для справної та коректної роботи 3D принтерів встановлені спеціальні обігрівачі, що підтримують належні температурні режими у приміщенні, де відбувається 3D друк. Не менш важливі й підвищена стерильність і герметичність приміщення для підготовки дослідних зразків композитів і 3D виробів – усе це в лабораторії забезпечують сучасні герметичні залізні двері, що дозволять створити герметичні й теплоізоляційні умови для роботи 3D принтерів типу FDM і SLA. Герметичність і теплоізоляція в лабораторному приміщені – важлива й необхідна умова при експлуатації 3D принтерів.
Відеоспостереження дозволяє дистанційно контролювати процес приготування нових композитів і процеси друку 3D виробів.
 Рис. 3. Хімічні шафи, з’єднані з шафами для зберігання хімічного посуду |
 Рис. 4. Робоче місце для роботи із 3D принтерами технології друку SLA та FDM |
 Рис. 5. Комплекс обладнання для створення композитних 3D виробів, що містять вуглецеві наноструктури, при використанні технології 3D друку SLA та рідких полімерів |
 Рис. 6. Комплекс обладнання для створення композитних 3D виробів, що містять вуглецеві наноструктури, при використанні технології 3D друку FDM і твердих полімерів |
 Рис. 7. Шредер для подрібнення композиту, що містить вуглецеві наноструктури |
 Рис. 8. Композитна крошка (ліворуч) і нитка, що після обробки зберігаються у бухтах |
 Рис. 9. Екструдер, що перетворює композитну крошку на композитну нитку |
Вивчення особливостей синтезу наноматеріалів для їхнього використання у 3D друці дає змогу збагнути процес утворення продуктів 3D друку з наноструктур цього класу. А поява науково-дослідної лабораторії 3D друку в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України дозволить зробити крок до створення нових надтвердих і надлегких матеріалів.
З огляду на інтенсивний розвиток науково-дослідної лабораторії 3D друку в Інституті хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України у 2022 році подано до Президії НАН України заявку на створення науково-технічного центру колективного користування науковими приладами (ЦККНП) для атестації композитів і 3D виробів різного призначення, що містять вуглецеві наноструктури. Основне наукове або науково-технічне призначення цього центру – атестація створених речовин, матеріалів, нових композитів синтезованих на їхній основі та 3D виробів різного призначення, синтезованих і виготовлених із використанням вуглецевих наноструктур.
Наявність науково-дослідної лабораторії 3D друку та ЦККНП дозволить пришвидшити дослідження і розширити спектр практичного застосування сучасних нових композитів, речовин і матеріалів для 3D друку, що містять вуглецеві наноструктури (графени, вуглецеві волокна, вуглецеві нанотрубки, фуллерени, їхні похідні й нанокомпозити) і порошки металогідридів задля створення накопичувачів водню. Такий науковий центр дасть змогу атестувати нові матеріали, нові речовини й композити, а також створені з них 3D вироби. Це ключ для створення нових легких накопичувачів водню, паливних елементів для водневої енергетики. Науковий центр такого класу вперше дозволить вивчати й використовувати фуллерени та їхні похідні у 3D друці, створювати електропровідну кераміку та 3D вироби з вуглецевих наноструктур. Усе це значно полегшить дослідження практичного застосування нових наноструктур і дозволить отримувати нові речовини, матеріали й композити на їхній основі.
У розвитку таких науково-технічних центрів зацікавлені установи НАН України, зокрема:
- Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича, що нині працює над створенням паливних елементів для водневого циклу й композитів, які можуть використовуватись як робоче тіло для накопичувачів водню при застосуванні технології 3D друку;
- Інститут хімії високомолекулярних сполук, що займається введенням фуллеренів у полімери для 3D друку;
- Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова, що розробляє електропровідний композиту для 3D друку;
- Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона, що розробляє технологію підводного 3D друку.
Науково-технічний напрям досліджень такого центру – прогресивні матеріали й технології, наноматеріали, біомедичне матеріалознавство, матеріали водневої енергетики, надлегкі конструкційні матеріали, композиційні матеріали, кераміка, адитивні технології та інше.
За допомогу у досягненні своїх дослідницьких цілей молоді вчені – виконавці проєкту «Супрамолекулярний дизайн і прінт-технології 3D-друку функціональних композитів на основі вуглецевих наноматеріалів» висловлюють подяку Президії НАН України, Інститутові хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України, Інститутові проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (й окремо – його відділу водневого матеріалознавства та вуглецевих наноструктур) та Інститутові металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.
* * *
Крім старших наукових співробітників кандидатів хімічних наук Олександра й Анатолія Золотаренків, молодіжний дослідницький проєкт за ґрантом НАН України виконували:
– науковий співробітник відділу металознавства евтектичних і швидкозагартованих сплавів Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України кандидат фізико-математичних наук Ірина Загорулько;
– науковий співробітник відділу металознавства евтектичних і швидкозагартованих сплавів Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України кандидат фізико-математичних наук Максим Нізамеєв;
– молодший науковий співробітник відділу водневого матеріалознавства та вуглецевих наноструктур Інституту проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України Марина Чимбай;
– провідний інженер відділу фізико-хімії вуглецевих наноматеріалів Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України Аліна Гринько.
За інформацією Інституту хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України