Пермские ученые импортозаместили связующее («клей») для 3D-печати металлом

Мировой рынок 3D-печати в 2025 году достиг 21,9 миллиарда долларов. Ожидается, что он будет расти на 18% в год, а к 2034 году может составить 115 миллиардов. Особое место в этой революции занимает Metal Binder Jetting (MBJ) — перспективный метод для серийного производства.

MBJ — это технология 3D-печати, работающая по принципу струйного принтера и использующая в качестве основного материала металлический порошок. Процесс начинается с нанесения на платформу тонкого равномерного слоя, например, стального. Печатающая головка точечно распыляет жидкое полимерное связующее — специальный «клей», мгновенно соединяющий частицы. Затем платформа опускается, наносится новый слой, и цикл повторяется до формирования объемной заготовки. После печати ее нагревают для окончательного отверждения состава, извлекают из окружающей не склеенной порошковой массы и отправляют в печь для спекания. При этом полимерный «клей» полностью выгорает, а частицы металла образуют цельную и плотную готовую деталь.

К 2034 прогнозируется рост рынка MBJ до $330+ миллионов. Такой потенциал объясняется уникальными возможностями технологии. Благодаря ей можно экономично и быстро создавать детали со сложной внутренней геометрией (каналы, решетчатые структуры), которую тяжело получить традиционным литьем или механической обработкой.

MBJ находит применение в самых требовательных отраслях: изготовление сверхлегких авиационных и космических компонентов (где важен каждый грамм), сложных систем охлаждения электроники и двигателей, индивидуальных медицинских имплантов с особой структурой, а также нестандартных деталей и легких каркасов в робототехнике и новом промышленном оборудовании.

Метод экономически эффективен за счет высокой скорости и снижения издержек на деталь при росте тиража. Связующее наносится сразу на весь слой, что ускоряет печать и позволяет одновременно изготавливать множество заготовок. При этом неиспользованный металлический порошок можно легко собрать и использовать повторно, а отсутствие необходимости в специальных поддерживающих конструкциях снижает расход материала и упрощает постобработку в отличие от традиционных методов производства. Основные энергозатраты приходятся на финальное спекание в печи, которое можно проводить для сотен готовых заготовок одновременно, что значительно снижает себестоимость одной детали в крупной серии.

По итогам 2024 года российский рынок 3D-печати оценивался в 12 миллиардов рублей, но доля технологии Metal Binder Jetting остается незначительной. Это связано с тем, что полимерные связующие, ключевые элементы процесса, сейчас практически недоступны в России из-за зависимости от импортных материалов и отсутствия отечественных аналогов.

Создание такого связующего — сложная научная задача, так как оно должно одновременно обладать противоречивыми свойствами. Быть достаточно текучим для точной струйной печати, но вязким для мгновенного склеивания частиц порошка, обеспечивать прочность промежуточной заготовке и при этом полностью, без остатка, выгорать в печи. Поэтому подбор состава часто сводится к дорогостоящему методу проб и ошибок.

Точные рецептуры не раскрываются зарубежными производителями. Эта зависимость от импорта делает конечную продукцию значительно дороже, создает риски срыва поставок и задержек в реализации проектов, из-за чего передовая технология остается финансово недоступной для большинства российских промышленных предприятий.

Исследователи Пермского Политеха и компании ООО «НПО «Керамет» детально изучили состав импортного двухкомпонентного связующего (жидкость «А» и гель «В»), чья рецептура — коммерческая тайна. Статья опубликована в сборнике «Перспективные технологии реверс-инжиниринга и быстрого прототипирования». Хотя в общих чертах известно, что подобные материалы содержат акриловые полимеры, формальдегидные смолы и растворители, точный рецепт не раскрывается.

Специалистам предстояло определить состав каждого компонента и его роль. Для жидкости «А» нужно было установить полимерную основу и функциональные добавки, управляющие текучестью, стабильностью и кислотностью. Для геля «В» — идентифицировать отверждающую смолу и ее модификации. Кроме того, требовалось выяснить оптимальное соотношение компонентов при смешивании, чтобы итоговый материал хорошо печатался, прочно склеивал порошок и бесследно выгорал в печи.

Анализ жидкой основы «А» начался с метода ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) — «магнитного сканера», определяющего структуру молекул. Он выявил в смеси воду, органические вещества и признаки крупных полимерных цепей. Выпаривание показало, что на летучие добавки приходится 17,8% массы.

Затем, сравнив «магнитные отпечатки» исходной жидкости и сухого остатка с базой данных, ученые идентифицировали ключевые добавки.

— Каждая из них выполняет определенную функцию: метиловый эфир пропиленгликоля обеспечивает нужную текучесть для прохождения через сопла принтера, пропиленгликоль помогает образованию пленки и препятствует засыханию, N,N-диметилэтаноламин регулирует кислотность среды, стабилизируя состав, а бутиловый эфир диэтиленгликоля выступает в роли «медленного» растворителя, замедляющего высыхание для равномерного пропитывания слоя металлической основы, — пояснила профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» Пермского Политеха, доктор технических наук, доцент Светлана Оглезнева.

Для точной идентификации состава применили два метода. Инфракрасная спектроскопия (ИК), работающая по принципу уникального поглощения света, позволила выявить основу материала — стирол-акрилатный сополимер. С помощью хромато-масс-спектрометрии (ХМС), разделяющей смесь на компоненты и определяющей их массу и структуру, подтвердили состав растворителей и обнаружили следы вещества, запускающего реакцию образования полимера.

Исследование геля-отвердителя В также началось с ИК-спектроскопии. Ученые выяснили, что основа геля — меламино-формальдегидная смола, модифицированная метанолом. Это означает, что для повышения стабильности продукта присоединили спиртовые группы.

Благодаря высушиванию выявили, что 13% массы геля составляет вода, придающая нужную консистенцию. Элементный анализ сухого остатка дал точное соотношение: углерод — 40.10%, водород — 7.71%, азот — 28.11%, кислород — 24.08%.

— Ключевая роль этого геля — быть отвердителем. При нагревании в печи он вступает в реакцию с основой из компонента А, создавая между ее цепями прочные поперечные связи. Этот процесс, называемый «сшивкой», формирует единую трехмерную сетку, которая и придает напечатанной заготовке необходимую механическую прочность перед окончательным спеканием. Дополнительная проверка показала, что компонент В — это практически чистая смола, разбавленная водой, без значительных посторонних примесей, — отметила Татьяна Поздеева, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе ООО «НПО «Керамет».