Применение 3D-печати в современной химии

Слайд 1

ГБПОУ ДЗМ «МК№1» Группа Л111 С пециальность: лабораторная диагностика Роговая Людмила Анатольевна Руководитель: Диденко Изабелла Владимировна 30.11.21 Применение 3 D - печати в современной химии

Слайд 2

Технологии 3D-печати в промышленности 3D-печать — одна из немногих областей бизнеса, которая оказалась в выигрыше в период распространения эпидемии COVID-19. Американские компании, которые и раньше продавали 3D-принтеры, сегодня получили больше заказов на производство конечных продуктов трехмерной печати: назальных палочек для проведения тестов на вирусы, компонентов вентиляционных систем, деталей медицинских инструментов и прочих расходников . Традиционные цепочки поставок нарушены, и там, где существует повышенный спрос, 3D-печать оказалась практически единственным вариантом оперативно обеспечить производство необходимой продукции. Трехмерная (3D-) печать — это самое яркое и непосредственное воплощение (аддитивных технологий) метода послойного наращивания материала при производстве деталей из металла или полимеров. Также существует печать густыми керамическими смесями для создания крупных архитектурных моделей и биопринтеры , при помощи которых печатают органы .

Слайд 3

Основные виды трехмерной печати

Слайд 4

3D-печать и химические технологии Ключевыми характеристиками 3D-печати при проектировании деталей, а равно и ограничениями возможностей применения данной технологии являются: толщина слоя, формируемая за один проход рабочим инструментом (головкой) 3D-принтера; толщина материала, который можно сформировать (к примеру, ограничивается диаметром сопла у экструзионных станков, диаметром проволоки у EBF и т. д.); 3) характеристики материала, получаемого при том или ином виде печати; 4) время , затрачиваемое на производство одной детали; 5) размеры рабочей зоны 3D-принтера. Также в работе с химическими технологиями часто приходится сталкиваться с агрессивными средами , высокими давлениями и повышенными температурами , что существенно ограничивает возможность применения полимеров, которые используются при 3D-печати большинством принтеров.

Слайд 5

Идеальная 3 D -печать и ее специфические недостатки Технологии послойного наращивания и синтеза объектов ( аддивные технологии), безусловно, имеют огромный потенциал в области приборостроения ( корпусные детали или сложные детали малых размеров, а также детали с внутренними полостями). Но их широкое применение в химической отрасли на данный момент ограничено объективными недостатками технологии. Пока у них нет существенных преимуществ перед традиционными технологиями производства. В области химии основное внимание уделяют материалам , используемым при трехмерной печати. Важно обеспечить инертность по отношению к реагентам, учесть возможность выделения нежелательных примесей в реакционную среду. Нужно принимать во внимание пористость и газопроницаемость для некоторых типов 3D-печати (например, при спекании порошка). Качество поверхности для ответственных изделий является важным критерием, может по-разному влиять на поток вещества, к примеру, вызывая турбулентные завихрения в пограничном слое бóльшие , чем в деталях, получаемых механической обработкой, или литых. Применение новых технологий сильно зависит от условий эксплуатации проектируемой детали и потребностей конструктора. Характеристики 3D-принтеров улучшаются год от года. Возможно, в ближайшее время станет доступно изготовление деталей печатью из металла с толщиной стенок менее 0,5 мм. Инжиниринговый химико-технологический центр выполняет широкий спектр работ в области химических технологий: НИОКР, масштабирование и пилотирование технологий, изготовление опытных партий и многое другое — как с применением новых технологий, так и более традиционными способами.

Слайд 6

Предметы, сделанные на 3Д-принтере

Слайд 7

3D-печать способна значительно ускорить экспериментальные химические исследования, потому что дает возможность изготовления даже сложного многокомпонентного химического оборудования прямо в лаборатории без существенных материальных затрат. Это касается как фундаментальных химических исследований, так и химико-технологических проектов. Для химической технологии 3D-печать предоставляет поистине уникальные возможности за короткий срок изготавливать серии реакторов или другого оборудования с различными конструкционными параметрами для поиска оптимального решения. Затраты на изготовление даже целых серий изделий методом FDM-печати несущественны по сравнению со стоимостью коммерческого лабораторного оборудования. Уже сейчас эта технология может выступать полноценным инструментом в создании научного химического оборудования. Главным недостатком изделий, изготовленных по технологии FDM, в химии является низкая химическая стойкость большинства пластиков. Химические реакции проводятся в жидкой фазе с использованием различных растворителей. Многие из этих растворителей прекрасно растворяют изделия из PLA и ABS пластиков – наиболее удобных для печати материалов. Для экспериментов в водной среде PLA и ABS вполне подходят. Однако, существуют и химически устойчивые пластики: в нашей лаборатории успешно изготовлены реакторы из полипропилена (PP) и полиоксиметилена (POM), с которыми успешно справляется обычный FDM принтер. Химически более стойкий полипропилен для трехмерной печати очень неудобен, так как отличается высокой усадкой, из-за которой происходят искажения размеров изделий. Кроме этого, полипропилен обладает сравнительно низкой связью между приведенными в контакт разнородными поверхностями к печатной платформе. Поэтому при проектировании изделий, входящих в непосредственный контакт с реакционной массой, необходимо учитывать все условия эксперимента и подбирать соответствующий материал. Поиск конструкционного пластика с высокой химической стойкостью к органическим растворителям и одновременно удобного для печати – очень важная задача для внедрения трехмерной печати в практику химического эксперимента.

Слайд 8

Дорогое уникальное лабораторное оборудование доступно не всем, что замедляет развитие науки. Решением этой проблемы могут стать установки созданные с помощью 3D-технологий — они значительно дешевле и производятся гораздо быстрее стандартных . 3D-инструменты для химических и биологических лабораторий Исследователи из Калифорнийского университета разработали систему 3D-печатных блоков в стиле Lego , предназначенную для исследований в химических и биологических лабораториях. Каждый блок – отдельное устройство. Например, устройство для перекачки жидкости или прибор для измерения каких-то параметров. Подобно кубикам Lego , эти блоки могут соединяться друг с другом. Источник: https://www.digitaltrends.com Пользователи могут создавать собственные экспериментальные установки. В зависимости от целей и фантазии, можно собрать и прибор для титрования, и биореактор . Эти 3D-печатные блоки особенно удобны для лабораторий с ограниченными ресурсами, поскольку позволяют создать большой спектр исследовательского и диагностического оборудования. https://youtu.be/2YOuW22XJUA

Слайд 9

Химический 3D-реактор В 2018 году команда ученых из исследовательского центра I- Form разработала химический 3D-реактор, который можно использовать для контролируемого смешивания веществ в фармацевтике. Получился он одноразовым . Источник: https://www.3ders.org Основная его особенность – гибкость конструкции: возможность изменять параметры внутреннего контейнера для разных смешиваемых реагентов. При создании реактора использовали 3D-принтер Intamsys Funmat HT. Intamsys Funmat HT Характеристики: Технология печати: FDM Толщина слоя: 50 мкм Скорость печати: от 30-300 мм/с Область печати: 260х260х260 мм Intamsys Funmat HT – это высокотемпературный 3D-принтер. Преимущество этого устройства – возможность работать как с тугоплавкими материалами PEEK и ULTEM, так и с более привычными ABS и HIPS.

Слайд 10

Метод FDM обладает средним пространственным разрешением (как правило, 0.1 - 0.2 мм) и обеспечивает возможность изготовления деталей разной формы и уровней сложности. Огромные возможности 3D-печати делают ее весьма перспективной технологией в образовании и науке. Штучное изготовление уникального лабораторного оборудования, наглядных пособий, макетов, моделей (в том числе работающих механизмов с движущимися частями) – все это осуществимо даже широкодоступным методом FDM-печати. Спиральный канал с креплением, выполненный из двух различных полимеров (за один сеанс) 3D печати с помощью двух экструдеров, работающих синхронно. Показаны готовые изделия и трехмерная модель. Высокая химическая стойкость некоторых полимеров (таких как полипропилен, нейлон, полиэтилентерефталат) в комбинации с методом FDM-печати хорошо подходят для изготовления небольшого химического лабораторного оборудования и химико-технологических лабораторных установок. Однако, действительно мощный потенциал 3D-печати раскрывается не при изготовлении стандартного лабораторного оборудования, которое можно купить, а при создании специальных изделий, таких как химические реакторы, смесители и другие элементы химических установок, разработанных внутри лаборатории для уникальных экспериментов. ( Шаростержневая модель молекулы, выполненная методом FDM печати из пластика PLA. Для получения более высокого качества модель изготавливалась по частям с последующей сборкой)

Слайд 11

Технология послойного направления достаточно зрелая, чтобы воспроизводить даже тонкие детали небольшого химического оборудования. Например, на рисунке приведена фотография смесителя с тремя входными и одним выходным патрубками. Диаметр внутренних каналов этого смесителя всего лишь 2 мм. Хорошо видны конические насечки на входных патрубках, причем высота этих насечек составляет 0.5 мм. Для увеличения эффективности смешивания внутри центрального выходного канала сделано миниатюрное винтовое ребро . 3D-печать способна значительно ускорить экспериментальные химические исследования, потому что дает возможность изготовления даже сложного многокомпонентного химического оборудования прямо в лаборатории без существенных материальных затрат. Это касается как фундаментальных химических исследований, так и химико-технологических проектов. Для химической технологии 3D-печать предоставляет поистине уникальные возможности за короткий срок изготавливать серии реакторов или другого оборудования с различными конструкционными параметрами для поиска оптимального решения. Затраты на изготовление даже целых серий изделий методом FDM-печати несущественны по сравнению со стоимостью коммерческого лабораторного оборудования. Уже сейчас эта технология может выступать полноценным инструментом в создании научного химического оборудования. Смеситель-тройник в рабочей камере 3D-принтера, выполненный из полиэтилентерефталата Смеситель и зигзагообразный микрореактор (выполненные из PET)

Слайд 12

Важным преимуществом FDM печати является дешевизна расходных материалов. Очень часто производят для лаборатории не только научно-исследовательское оборудование , но и различные вспомогательные изделия: подставки для ампул, пробирок , специальных ламп, запасные части для разного оборудования (например гильзы уникальной конструкции для центрифуги под требуемый тип пробирок). Такие изделия бывают довольно большого размера, и их требуется немало. Изготовление подобных предметов другими методами трехмерной печати, например, стереолитографией (SLA), будет для научной лаборатории очень дорогостоящим из-за высокой стоимости расходного материала, тогда как пластик для FDM печати, как правило, дешевле в 10 раз. Главным недостатком изделий , изготовленных по технологии FDM, в химии является низкая химическая стойкость большинства пластиков . Химические реакции проводятся в жидкой фазе с использованием различных растворителей. Многие из этих растворителей прекрасно растворяют изделия из PLA и ABS пластиков – наиболее удобных для печати материалов. Для экспериментов в водной среде PLA и ABS вполне подходят . Однако, существуют и химически устойчивые пластики: в лаборатории уже успешно изготовлены реакторы из полипропилена (PP) и полиоксиметилена (POM ), с которыми справляется обычный FDM принтер.

Слайд 13

Список литературы: https:// pikabu.ru/story/primenenie_3dpechat_v_khimii_4255168 https:// top3dshop.ru/blog/3d-pechat-v-nauke-obzor-primenenija.html#biohimiya https:// 3dtoday.ru/blogs/1617db764a/threedimensional-printing-in-chemistry https://picaso-3d.ru/ru/applying/stories/chemistry /