Глава 2. Аддитивные технологии.

В основе аддитивных технологий лежит новая парадигма промышленного производства сложных изделий: путем сложения, выращивания из материала, а не удаления лишнего материала при обработке. Работы в данном направлении начаты еще в 1950-х гг., под руководством академика Л.Н. Кошкина. В начале 1990-х гг. по инициативе академика Е.П. Велихова в России (Курчатовский институт, ИПЛИТ РАН) начались работы по созданию систем цифрового аддитивного производства на основе лазерной стереолитографии (лазерная 3D печать) – сегодня это наиболее распространенный в мире вид аддитивных технологий.

Сегодня в России созданы системы, позволяющие производить 3D изделия по любому типу входных данных (CAD модель, видеограмметрические данные из космоса, томографические данные).

ТЕХНОЛОГИИ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

• Лазерная стериолитография (ЛС)

• Селективное лазерное спекание (СЛС)

• Трехмерная струйная печать

• Двухфотонная полимеризация (ДФП)

Лазерно-информационная технология быстрого прототипирования для биомоделирования - лазерная стериолитография (ЛС) включает в себя следующие основные этапы:

1. Получение томографических данных обследования пациентов.

2. Изготовления биомоделей по томографическим данным с помощью лазерного стереолитографа (ИПЛИТ РАН).

3. Тестирование/подгонка.

 

 

Лазерные стериолитографы ИПЛИТ РАН осуществляют послойное изготовление трехмерного объекта по томографическим данным с точностью изготовления 20 – 100 мкм. Развитие интернет технологий сделало возможным дистанционное изготовление биомоделей, в том числе по томографическим базам пациентов, что открыло принципиально новые возможности для развития имплантологии, челюстно-лицевой хирургии, хирургии позвоночника, сердечно-сосудистой системы и др. Принцип работы лазерного стериолитографа основан на свойстве фоточувствительной композиции ИПЛИТ-1 (на основе акрилатов) полимеризоваться под воздействием лазерного излучения. При этом, фотополимеризующийся композит (ФПК) подвергается лазерному облучению только в области, заданной томографическими данными. При мощности излучения 15 мВт время изготовления данного объекта 18-20 часов. Инициирование радикальной полимеризации:

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость толщины

отвержденного слоя (h)

от дозы облучения (D)

 

 

Селективное лазерное спекание порошков

Образцы продукции со сложной топологией

 

 

Создание градиентных материалов. 1,3 - сталь, 2 – бронза.

Схема лазерного спекания порошков

 

Распределение лазерного излучения % по разным каналам, как функция x = p Rp2 n L. Rp, n - радиус и плотность частиц, L - путь частиц от сопла до мишени.

 

 

ВАЖНО: Дисперсия распределения по размерам частиц – узкая, иначе не все частички проплавятся.

 

Интерес современной медицинской физики к проблемам тканевой инженерии привел к созданию технологии поверхностно-селективного лазерного спекания (ПСЛС) и синтеза полимерных матриц. ПСЛС основано на расплаве поверхности полимерных частиц, прозрачных для лазерного излучения, за счет его поглощения наночастицами (углерод, золото), равномерно распределенными по поверхности порошка.

 

 

 

 

Основные преимущества данной технологии - в возможности использования для формирования сложных 3D-объектов сертифицированных для биомедицинских применений порошков биосовместимых полимеров, а также их комбинаций с минеральными (например, гидроксиапатит) и биоорганическими (протеины, ферменты и др.) добавками. При этом активность энзима, например, после спекания остается на уровне 80% от исходной. Изготовление биоактивных биорезорбируемых полимерных имплантатов заданного размера, формы и морфологии, не имеющих следов органических растворителей стало возможно с помощью сверхкритического диоксида углерода.