Руководитель школы 3D-печати МАИ про аддитивные технологии в бионике

Бионика — это наука о применении в технических устройствах и системах форм, свойств, функций и структур живой природы. Именно она лежит в основе большинства поворотных изобретений в истории человечества. Даже на создание колеса, строго говоря, изобретателей вдохновило солнце, совершающее свой путь с востока на запад.

В XIX-XX веках бионику постепенно стали отодвигать на второй план. Казалось, что будущее человечества за робототехникой или цифровизацией. Но вскоре выяснилось, что большинство технологических решений универсальны. Их можно с равным успехом использовать и на заводе, и на транспорте, и на селе. Задача специалистов — правильно адаптировать решение, найти ту изюминку, благодаря которой технология выстрелит именно в конкретных условиях. И бионика триумфально вернулась. Оказалось, что использование природных форм и материалов позволяет получить максимальный эффект от автоматизации и цифровизации бизнеса.

Дополнительный стимул распространению бионических решений в последнее десятилетие дало развитие 3D-печати. Как оказалось, аддитивные технологии идеально подходят для воплощения сложных бионических форм. Их уже применяют для создания протезов, в машиностроении и строительстве. Новые изделия оказываются легче обычных аналогов, но, как минимум, не проигрывают им по прочности или гибкости.

Именно 3D-печать использовали для производства титановых крепежей для бионических багажных полок самолёта А350. Их вес снизился на 45%. Теперь в компании работают над печатью бионических материалов больших размеров.

Первым шагом в этом направлении стал проект по производству перегородки для самолётов семейства А320, отделяющей пассажирский салон от кухни. На 3D-принтере её отпечатали из специального материала Scalmalloy (сплава алюминия, магния и скандия). Получилась бионическая структура, имитирующая паутинную сеть. По сравнению с перегородками, которые в настоящее время используются в самолётах, вес изделия снизился на 30 кг. Пока это крупнейший в мире компонент салона самолёта, созданный на 3D-принтере.

Андрей Рипецкий, руководитель направления «Технологии цифрового и аддитивного производства» МАИ:

3D-принтинг — это инструмент для моделирования и создания геометрических форм бионического дизайна. Его можно заменить и обычными методами промышленного производства, но порядка 70% бионических деталей эффективнее создавать именно с помощью аддитивных технологий. Это особенно актуально, если в бионической форме есть внутренние полости или сложные каналы. А иногда 3D-печать — это вообще единственный выход. Так, раньше технологически невозможным было создание нераздельных деталей, допустим, для целей протезирования, и приходилось стягивать шпильками несколько раздельных элементов.

Пока 3D-принтинг также имеет ограничения. Накоплено не так много опыта печати бионических изделий, нужно больше анализа: не всегда очевидно, как долго оно прослужит. Например, в Голландии недавно презентовали напечатанный мост с применением бионически оптимизированной геометрической формы, но это лишь концепт, и пока неясно, как поведёт себя конструкция со временем.

Серийно выпускаемые промышленные принтеры имеют ограничения по габаритам изделий, которые они могут воспроизвести. Но геометрическая форма и правильное технологическое членение сегодня могут дать решения по использованию самого распространённого размера камеры построения промышленных 3D-принтеров выборочного лазерного сплавления из металлопорошковых композиций (250×250×300 мм). Принтеры с большой рабочей зоной (от 500×500×500 мм) для печати металлами — пока очень дорогой инструмент.

Кроме этого, одним из основных сдерживающих факторов развития как технологий моделирования бионической формы, так и способов её 3D-принтинга является нехватка подготовленных кадров. Другая проблема — недостаток программного обеспечения. Когда мы получаем предварительную геометрию после топологической оптимизации, это происходит полуавтоматически (результат оптимизации тоже зависит от инженера, который формирует начальные требования). Человеку надо дополнительно обрабатывать модель. Потом сложности могут возникнуть при печати, её результат пока сложно прогнозировать. Впрочем, результаты в горизонте ближайших лет могут быть значительно улучшены за счет применения технологий искусственного интеллекта в этих процессах.