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 объёмной заготовки. После печати её 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+ млн. Такой потенциал объясняется уникальными возможностями технологии. Благодаря ей можно экономично и быстро создавать детали со сложной внутренней геометрией (каналы, решётчатые структуры), которую тяжело получить традиционным литьём или механической обработкой.

MBJ находит применение в самых требовательных отраслях: изготовление сверхлёгких 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 лёгких каркасов в робототехнике и новом промышленном оборудовании.

Метод экономически эффективен за счёт 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 остаётся 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, создаёт 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 является коммерческой тайной. 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 её 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, учёные идентифицировали ключевые добавки.

— Каждая из них выполняет определённую функцию: метиловый эфир пропиленгликоля обеспечивает нужную текучесть для прохождения через сопла принтера, пропиленгликоль помогает образованию плёнки 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, — объясняет 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 основой геля является 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 её цепями прочные поперечные связи. Этот процесс, называемый «сшивкой», формирует единую трёхмерную сетку, которая и придаёт напечатанной заготовке необходимую механическую прочность перед окончательным спеканием. Дополнительная проверка показала, что компонент В — это практически чистая смола, разбавленная водой, без значительных посторонних примесей, — отмечает Татьяна Поздеева, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научно-исследовательской работе ООО «НПО «Керамет».

В результате учёным удалось полностью расшифровать рецептуру импортного связующего для 3D-печати металлом. Полученные данные позволили создать российский аналог и подать заявку на изобретение, что поможет снизить стоимость производства и открыть путь к массовому внедрению Metal Binder Jetting в отечественную промышленность.

Для справки: ООО "Научно-производственное объединение "Керамет" — компания, входящая в структуру компаний "Керамет", специализирующихся на выпуске насосного оборудования и комплектующих для насосов более 20 лет. С 2023 года компания является резидентом Сколково и получателем субсидии от Фонда развития промышленности. В 2025 году компания выиграла грант от Фонда содействия инновациям под производство изделий методом MBJ. Учредителем компании является Киселев Павел Аркадьевич.

«Умная» индустрия — что это?

Цифровая трансформация производства и переход к индустрии 4.0 — это ключевое стратегическое направление развития современной промышленности. Изменения затрагивают бизнес на всех уровнях: от управления технологическим процессом до обеспечения документооборота.

Вопреки ажиотажу, всё не так просто: интеграции цифровых технологий и масштабная автоматизация требуют глубоких знаний в области IT, электроники, физики объектов. Только тогда машиностроители могут трансформировать традиционные устройства в их цифровые аналоги, собирать данные и разрабатывать алгоритмы для контроля и оптимизации.

Роль инженеров в «умных» заводах будет расширяться, они возьмут на себя новые, разнообразные задачи. Для успешного внедрения решений в рамках Индустрии 4.0 машиностроителям необходимо адаптировать реальные физические системы для цифрового мира.

Возьмём типовую фрезерную станцию: её комплектуют датчиками температуры, вибрации, тока шпинделя и затем подключают к программируемому логическому контроллеру. Данные передаются в систему управления производством (MES) и используются для построения цифрового двойника, который моделирует нагружение и износ инструмента в реальном времени. На базе этих данных развёртывают алгоритмы предиктивного обслуживания и автоматической оптимизации режимов резания — это позволяет планировать замену инструмента до возникновения брака, снижать простои и повышать точность обработки.

Для такой работы машиностроителю нужны навыки интеграции датчиков и контроллеров, обработки сигналов, построения конвейеров данных и базовое понимание методов машинного обучения, чтобы корректно интерпретировать прогнозы и внедрять их в производственный цикл.

Печатают не только чернилами

Аддитивные технологии — метод создания трёхмерных объектов, деталей или вещей путём послойного добавления материала с помощью 3D-принтеров. Ещё недавно технология считалась лишь основной для прототипирования, однако с недавнего времени её начали применять в производстве высококачественных деталей, покрытий и легирования. 3D-печать позволяет создавать конструкции, которые раньше было невозможно или экономически нецелесообразно производить традиционными методами.

Представьте, что вы изготавливаете устройства для частных предприятий. Заказ уже почти готов к отправке, но производственный процесс встал из-за того, что нет нескольких маленьких, но критически важных деталей — либо задержали поставки, либо их создание ресурсозатратное и на выходе высок шанс брака. Неприятно, однако такое случается повсеместно. В подобных случаях на помощь приходят собственные 3D-принтеры. Аддитивное производство позволяет производить высококачественные детали в кратчайшие сроки. Многие компании уже поставили на поток печать собственных расходных материалов, например фрезы и свёрла.

Не последнюю роль аддитивное производство играет в аэрокосмической и автомобильной отраслях, потому что позволяет создавать более лёгкие и прочные конструкции за счёт сложной геометрии.

Материалы нового поколения

В современной машиностроительной практике активно применяются материалы и покрытия, способные выдерживать высокие температуры, а также механические и химические воздействия — это обеспечивает надёжность и длительный срок службы изделий.

Особое внимание отведено лёгким и прочным композитам, армированным керамикой, а также антикоррозийным и наноструктурированным покрытиям. Последние позволяют улучшать сцепление компонентов, снижать трение и повышать прочность на изгиб благодаря контролируемой структуре поверхности. Такие покрытия уменьшают потери энергии в механизмах при циклических нагрузках.

Как роботы (не)заменят людей

Сегодня мы наблюдаем глобальный тренд на роботизацию. Однако важно помнить: за созданием роботов всегда стоят люди. Их проектируют инженеры, производят специалисты, обслуживают и эксплуатируют квалифицированные сотрудники. То есть роботизация сама по себе создаёт новые рабочие места в смежных областях. Главное же её преимущество в том, что рутинные и простые сборочные операции можно передать машинам. Это освобождает время и интеллектуальный ресурс людей, позволяя сосредоточиться на создании принципиально новых и более сложных разработок.

Российские вузы проделывают огромную работу, чтобы актуализировать свои образовательные программы и идти навстречу потенциальным работодателям. На базе учебно-производственного центра НИТУ МИСИС ARTCAD студенты вместе с учёными проектируют роботов для прохождения полосы испытаний. Им предоставлен доступ к современному оборудованию в области макетирования: лазерным резакам, 3D-печати, литью металла и пр.

Цифровые двойники и виртуальное прототипирование

В промышленности и машиностроении, где людям из разных предприятий нередко приходится работать над одним проектом, важно обустроить пространство для совместной деятельности. 3D-модели давно стали частью проектирования и разработки, однако экран компьютера не всегда позволяет координировать действия с высокой точностью.

Цифровой двойник — это виртуальная копия реального объекта или системы, которая полностью повторяет её характеристики и поведение. Такой «двойник» создаётся с использованием инженерных моделей, симуляций и данных с датчиков. Двойник позволяет прогнозировать, как изделие поведёт себя в разных условиях, находить слабые места ещё на стадии проектирования и оперативно вносить изменения без необходимости создавать множество дорогостоящих прототипов.

В машиностроении цифровые двойники применяют на всех этапах жизненного цикла изделия. Например, инженеры могут заранее протестировать конструкцию шасси по десяткам сценариев нагрузки или отследить, как будет вести себя двигатель в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, цифровой двойник помогает в обслуживании: датчики фиксируют температуру, вибрации, износ, и система в реальном времени сравнивает показатели с виртуальной моделью. Это позволяет предсказывать поломки и проводить обслуживание до того, как возникнет серьёзная неисправность, снижая расходы и риски простоя.

ИИ против брака

Не менее важный аспект в современном машиностроении — искусственный интеллект и нейросети. Уже сейчас эти технологии позволяют создавать трёхмерные модели по текстовым описаниям, а системы машинного обучения предсказывают потенциальные неисправности и помогают в обслуживании оборудования.

Кроме того, нейросети помогают оптимизировать производственные процессы и контроль качества. Они способны автоматически выявлять дефекты продукции с помощью анализа изображений и других данных, что снижает количество брака.

В заключение отметим, что спрос на инженеров, которые могут работать с такими высокотехнологичными системами, растёт с каждым годом. Компании уже ищут специалистов, способных разрабатывать роботов и автоматизированные системы, проектировать новые материалы и управлять сложными производственными процессами.

Университет МИСИС активно участвует в подготовке таких специалистов. В рамках программы бакалавриата «Технологические машины и оборудование» и магистратуры «Технологические машины и оборудование» студенты с первого курса начинают работать с современными технологиями, такими как 3D-печать и лазерная резка, обучаются прототипированию и роботизации. Обучающиеся разрабатывают конструкции и испытывают их на специальных полигонах, что помогает им не только углублённо изучать теорию, но и получать практические навыки, которые востребованы на рынке труда.

Участники исследования (от 3 до 96 лет) легко освоили использование пальца и чувствовали, что дополнительный палец является частью их тела.

Сам же палец можно использовать для различных целей, например: открывать бутылку одной рукой, нести охапку мандаринов и ещё многое другое.

🔜 А массовое использование экзоскелетов — не такое уж далекое будущее. Такие устройства смогут не только улучшить жизни людей с ограниченными возможностями, но и многих, кто «хотел бы повысить свою производительность».

Для повышения качества и надежности при аддитивном производстве важно определять адгезионные силы взаимодействия (сцепления) на отрыв. В процессе материал должен надежно удерживаться на подложке, чтобы слои могли точно накладываться друг на друга. При недостаточной адгезии изделие может сместиться или частично отслаиваться во время печати, что приведет к нарушению геометрии и структуры печатаемой модели. С другой стороны, готовая деталь должна легко отделяться от подложки после завершения печати.

Ученые Пермского Политеха разработали уникальное устройство, которое позволяет исследовать прочность сцепления различных материалов в условиях, максимально приближенных к реальным. Основная его часть состоит из трех элементов: полимерной заготовки специальной формы, промежуточного слоя (клеевой пленки) и подложки. Разработка имитирует реальные условия печати, когда происходит нагрев материала до температуры печати, а после завершения работы – охлаждение. Такая конструкция дает возможность точно измерить силу сцепления на всех этапах процесса.

– Преимущество нашей разработки в том, что она позволяет использовать одну и ту же заготовку для множества экспериментов. Это существенно повышает эффективность исследований и ускоряет поиск оптимальных решений для 3D-печати. Кроме того, устройство дает точные данные о силе и характере взаимодействия материалов, что поможет снизить количество брака изделий, печатаемых на 3D-принтерах, – поделился старший преподаватель кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ Андрей Дроздов.

Определение оптимальных адгезионных характеристик помогает повысить производительность, избежать прерывания и перезапуска печати, потери времени и материалов. Изобретение ученых Пермского Политеха может стать важным шагом на пути к созданию более надежных и прочных изделий из полимеров, что открывает новые возможности для применения 3D-печати в промышленности и науке.

Студия обратила внимание на значительное производство омаров в штате Мэн и отходы от раковин, которые обычно образуются при консервировании омаров или другой обработке на месте.

Компании Manufactura и BioMatters измельчили панцири американских омаров в мелкую субстанцию, а затем смешали ее со связующими веществами, такими как глина, после чего пропустили через 3D-принтер.

«Этот вид, как и другие членистоногие, защищен экзоскелетом, состоящим из хитина - углевода, который также содержится в клеточных стенках грибов», - рассказали представители команды.

«Использование местной керамики, например фарфора, повышает потенциальную прочность материала и делает его пригодным для обжига, а хитин придает ему такие полезные свойства, как повышенная прочность, биоразлагаемость и антибактериальные свойства», - добавили специалисты.

«Хотя максимальная прочность этого композита все еще находится в стадии экспериментов и пока не проверена на месте, этот инновационный подход подчеркивает потенциал превращения панцирей омаров, которые обычно считаются отходами, в ценные материалы».

Обе студии сотрудничали с местным производителем Greenhead Lobster, чтобы приобрести панцири, большинство из которых обычно оказываются в мусорном ведре.

Несмотря на снижение урожая из-за изменения температуры воды и чрезмерного вылова рыбы, в штате Мэн ежегодно вылавливается более ста миллионов фунтов омаров.

Потенциал для масштабирования этого материала многообещающий, но для этого необходимо обеспечить доступность, эффективность и участие сборщиков урожая.

По их словам, в ходе эксперимента из 15 омаровых панцирей получилась двухкилограммовая трубка для принтера.

Команда считает, что материал на основе хитина может быть использован для замены изделий промышленного дизайна или предметов, обычно изготавливаемых только из керамики, и в конечном итоге может быть использован в строительстве.

«Наша конечная цель - разработать блоки и отделочные материалы для строительства зданий, используя уникальные свойства композита из панцирей омаров для создания устойчивых и инновационных строительных материалов», - говорится в сообщении.