АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ: то ли еще будет

Аддитивные технологии — принципиально другой способ производства. В отличие от традиционных методов, таких, как, например, штамповка, фрезеровка, токарная обработка и т.д., здесь идет послойное наращивание материала, трехмерный объект создается с нуля с помощью специального 3D-принтера. Отсюда и название: add по-английски — добавлять, Additive Manufacturing — аддитивные технологии (АТ).

Материалы могут быть самые разные — пластики, металлы, композитные смеси, бетон, песок, керамика и т.д. В недалеком будущем в этот ряд добавится, скорее всего, и биологическая ткань — отдельные случаи ее использования уже есть, исследования и эксперименты продолжаются. Так что массовой печати новых органов ждать, похоже, осталось недолго.

Как все начиналось

Опыты с послойным созданием объектов начались еще в XIX веке. В 1890 году был разработан метод создания топографических карт путем последовательного наложения тонких пластин. В середине XX века был предложен способ, похожий на современную стереолитографию, — послойная экспозиция фотоэмульсии. В 1977 году появилась технология создания трехмерных объектов через отверждение фоточувствительного полимера в месте пересечения лазерных лучей.

И наконец, в 1984 году был совершен ключевой прорыв: Чарльз Халл разработал метод стереолитографии (SLA), который позволил создавать твердые объекты из жидких фотополимеров послойным наложением с помощью ультрафиолетового света. В 1986 году он получил патент на эту технологию и основал компанию 3D Systems, которая выпустила первый коммерческий 3D-принтер SLA-1. Это событие считается началом широкого распространения аддитивных технологий. Сегодня многие 3D-принтеры работают на базе этой технологии, а изобретение Халла по степени революционного влияния на производство и экономику сравнивают с появлением конвейерной линии Генри Форда.

В 1990-е годы появились новые методы аддитивного производства: селективное лазерное спекание (SLS) — использование лазера для спекания порошковых материалов и моделирование методом наплавления (FDM) — послойное нанесение расплавленного материала. Эти технологии расширили возможности 3D-печати, позволив работать с металлами, керамикой и другими материалами.

В 2000-е годы аддитивные технологии стали доступнее благодаря появлению открытых источников для разработки 3D-принтеров. В 2009 году истек срок патента на технологию FDM, это привело к росту числа компаний, предлагающих доступные принтеры для домашнего использования.

Аддитивные технологии и 3D-печать — это практически синонимы. Термин 3D-печать обычно используют, когда речь идет о недорогих, достаточно простых принтерах. В случае промышленного производства говорят об аддитивных технологиях.

Сейчас простые домашние модели 3D-принтеров, пригодные для печати повседневных вещей, можно купить за несколько десятков тысяч рублей. На них можно печатать игрушки, бытовые предметы, бижутерию и многое другое.

Профессиональные системы, которые используют дизайн-студии и другой малый бизнес, могут стоить сотни тысяч, а промышленные машины — миллионы и десятки миллионов рублей.

Много плюсов

Использование аддитивных технологий обеспечивает целый ряд важных преимуществ. Перечислим основные.

Минимизация отходов. Материал не удаляется из целого, а, наоборот, добавляется только там, где он нужен. А если, например, металлическая деталь не получилась, ее можно вновь превратить в порошок и из него опять напечатать то же изделие. За счет этого снижается себестоимость готового продукта, особенно это заметно при использовании дорогостоящих материалов. С помощью метода объемной печати можно довести коэффициент расходования материалов до 98%, облегчить вес деталей на 40-50%.

Свобода формы. С помощью аддитивных технологий можно создавать геометрии, недоступные классическим методам: внутренние каналы, решетчатые структуры, органические контуры и т.д., ограничений практически нет.

Быстрота изготовления. Традиционными способами сложную деталь производят в течение месяцев, а с 3D-печатью ее можно сделать за несколько часов. После изготовления часто не нужна дополнительная механическая обработка.

Массовая кастомизация. Аддитивные методы дают возможность производить индивидуальные изделия — от медицинских имплантов до элементов интерьера — без сложной переналадки оборудования, без увеличения стоимости единицы.

Отсутствие швов и сварных соединений. В отличие от традиционного производства, с помощью аддитивных технологий можно получить изделия с уникальными свойствами, без швов и стыков. Такие объекты невозможно изготовить с помощью сварки и штамповки.

Децентрализация производства. Компании могут печатать детали локально, сокращая расходы на логистику и уменьшая уязвимость цепочек поставок.

Существует несколько основных методов изготовления 3D-изделий.

Экструзия: используется вязкий однородный расплав, который продавливают через формующее отверстие.

Струйная обработка основы: деталь создается за счет выборочного осаждения капель на поверхности заготовки.

Струйная обработка связующего компонента: порошкообразные материалы соединяют с помощью скрепляющего агента.

Листовое ламинирование: форму образуют путем послойного наложения тонких листов.

Плавление порошкового слоя: порошкообразные составы сплавляют при нагревании.

Направленное осаждение: тепловая энергия фокусируется и плавит материал в процессе его осаждения.

Фотополимеризация: лазер или проектор засвечивает жидкий фотополимер до отвердевания, обеспечивая высокую точность и идеальную поверхность.

Прогресс в области аддитивных технологий идет стремительно, и к перечисленным способам объемной печати добавляются новые процессы.

Безграничные возможности

Есть несколько направлений применения аддитивных технологий. Во-первых, это изготовление деталей, которые в дальнейшем будут использоваться в качестве шаблонов для конечного изделия. Во-вторых, с помощью аддитивных методов изготавливают пресс-формы для формовки и литья. И наконец, есть прямое цифровое производство — это изготовление аддитивными способами конечного продукта.

Сегодня аддитивные технологии активно используются в самых разных отраслях: проще перечислить, куда они еще не добрались. С их помощью изготавливаются ювелирные изделия, различные аксессуары, детали одежды и обуви (Adidas, например, выпускает кроссовки Futurecraft с напечатанной подошвой), игрушки и сувениры, мебель, скульптуры, малые архитектурные формы, корсеты, анатомические модели, ортопедические стельки, даже таблетки с заданной дозой и скоростью высвобождения…

Для промышленного производства печатаются пресс-формы и другая оснастка, функциональные прототипы для тестирования деталей перед запуском в серию, изготавливаются сложные детали. В энергетике и нефтегазовой отрасли аддитивными методами изготавливают лопатки турбин, теплообменники, запчасти для скважинного оборудования (причем непосредственно на месте добычи)… Перечень можно продолжать практически бесконечно.

Есть примеры создания гигантских деталей. Например, специалисты «Норникеля» в 2023 году напечатали запчасть для насосной установки весом 500 кг. Есть и противоположные примеры. Так, линейка 3D-принтеров Fabrica использует способ проекционной микростереолитографии, дающий разрешение до нескольких микрон. С помощью оборудования получают детали с зеркально обработанными поверхностями, с высоким качеством внутренних полостей и острых кромок. Объемную технологию печати в сверхмалых размерах используют не только для изготовления прототипов, но и серийного выпуска элементов для микроэлектроники и медицины.

В последние годы в различных странах появляются дома, возведенные методом строительной 3D-печати — послойного нанесения специальных смесей по цифровой модели с помощью строительного принтера. Таким способом строят жилье, коммерческие и промышленные здания, изготавливают элементы сооружений, которые потом собираются на месте в целое строение, различные малые архитектурные формы, арт-объекты, элементы благоустройства, заборы, подпорные стенки.

Технология позволяет производить объекты и строить дома очень быстро и дешево — скорость в 4-20 раз выше традиционных методов, стоимость ниже на 10-50% за счет сокращения ручного труда и оптимизации расхода материалов. При этом можно получать сложные формы без удорожания, обходиться без опалубки, экономить на логистике за счет производства на месте, работать в труднодоступных локациях.

Первая беседка в форме средневекового замка была напечатана в США в 2014 году. Через год на Филиппинах напечатали первый отель. В Ступине в 2017 году аддитивным методом всего за сутки был создан дом площадью 38 м². В 2019 году в Дубае появилось пока самое большое, созданное с помощью 3D-печати здание муниципалитета площадью 641 кв. м. В Татарстане в 2024 году прошел госэкспертизу и открылся общественно-культурный центр «Мелля». В 2025 году была построена башня Tor Alva в швейцарской деревне Муленс — это самое высокое в мире здание, созданное с использованием 3D-печати. Ее высота составляет 30 метров, а конструкция состоит из 32 уникальных бетонных колонн, напечатанных на 3D-принтере.

В автомобилестроении одной из первых аддитивные технологии начала применять компания BMW — в 1989 году, когда термин «3D-печать» еще не использовался. В 2018 году предприятие открыло специализированный Центр аддитивного производства в Мюнхене и изготавливает там прототипы, сверхсложные элементы шасси и уже не выпускаемые серийно детали для классических автомобилей.

В 2016 году компания Local Motors выпустила небольшой самоуправляемый автобус Olli, произведенный по большей части на 3D-принтере, причем его технические характеристики улучшились в сравнении с прототипом.

В 2019 году американский ученый Стерлинг Бакус вместе со своим 11-летним сыном собрали полноразмерную копию суперкара Lamborghini Aventador. Все производство и сборка проходили в обычном гараже, а оборудование было куплено на eBay. Недостающие детали были также куплены на eBay. В общей сложности на проект ушло около 20 тысяч долларов, при этом настоящий такой автомобиль стоит 300 тысяч. Весь процесс постройки занял полтора года.

Сейчас многие автомобильные компании используют 3D-печать при производстве пресс-форм, оснастки, прототипов, элементов интерьера и двигательных узлов, добиваясь уменьшения себестоимости и снижения веса машин. Они также оптимизируют логистику, печатая и отправляя по всему миру детали, созданные по требованию заказчиков. Точечный ответ на заявки снижает расходы на производство, транспортировку и складское хранение. Гиперкарные бренды производят печатные рычаги подвески и выхлопные коллекторы.

На Марс полетят напечатанные люди на напечатанных ракетах?

В авиационной и аэрокосмической промышленности методы объемной печати используются для изготовления высококачественных деталей, к которым предъявляются высокие сертификационные требования. Так, компания Boeing уже изготовила методами аддитивных технологий десятки тысяч деталей для своих самолетов.

Airbus внедряет решетчатые кронштейны, снижающие вес самолета на 50 кг.

Илон Маск (как же тут без него) использует аддитивные технологии в производстве камер сгорания для ракетных двигателей из медного сплава, отмечая, что способ сокращает время процесса с 6 месяцев до 3 недель, то есть в 8 раз. Он считает, что большая скорость не самоцель, а важное условие для космических путешествий, где речь идет о каждой секунде.

При создании самоподдерживающейся марсианской колонии понадобятся гигантские носители с огромной грузоподъемностью. Для перемещения миллионов тонн грузов потребуются сто звездолетов, которые должны вывести в космос сверхтяжелые ракеты. Благодаря аддитивной печати все это удастся создать в кратчайшее по производственным меркам время. Кроме того, глава SapceX уверен, что получится снизить вес компонентов, за счет этого увеличить полезную нагрузку. В печать пойдут металлы, полимеры, композиты, немного керамики и, возможно, цемента. Последний будут использовать в объемном 3D-строительстве уже на поверхности красной планеты. По мнению Маска, все производство марсианской миссии будет осуществляться с помощью аддитивных технологий.

Широко применяются аддитивные технологии в медицине. В 2008 году в Японии был напечатан первый 3D-протез ноги и ступни: он был изготовлен цельным, без сборки. В 2015 году в швейцарской лаборатории было напечатано искусственное сердце. С помощью стереолитографии сейчас изготавливают индивидуальные сердечные клапаны, искусственные челюсти, импланты тазобедренного сустава, повторяющие анатомию пациента, детали слуховых аппаратов и многое другое.

Пожалуй, самый впечатляющий пример использования 3D-печати в медицине — пересадка пациенту мочевого пузыря, напечатанного из его собственных клеток, благодаря чему не возникла проблема отторжения. Это было в Бостоне еще в 2004 году. С тех пор было успешно проведено еще порядка десяти таких операций. Специалисты отмечают, что плоские структуры, такие как кожа, печатать легче всего, тогда как трубчатые структуры, такие как кровеносные сосуды и полые нетубулярные органы, такие как мочевой пузырь, более сложны. Твердые органы, как сердце, легкие и почки, печатать труднее всего, поскольку в них больше клеток на сантиметр, хотя некоторые исследователи добились небольших успехов в этой области.

В будущем предполагается массово печатать 3D-органы из человеческой ткани и искусственных материалов.

Дело государственной важности

В России аддитивные технологии находятся на стадии активного роста и все больше используются в промышленности не только как средство прототипирования, но как полноценный инструмент производства конечных изделий, особенно в стратегических отраслях. Ключевые направления развития — промышленность, медицина, энергетика и строительство.

Примерно 50% рынка аддитивных технологий в России составляют авиация, космос и оборонно-промышленный комплекс. Также активно задействованы нефтегазовый сектор, горнодобывающая промышленность. В медицине технологии развиваются, но медленнее: аддитивные технологии пока не получили такого же массового распространения, как в тяжелой промышленности. В строительстве аддитивные технологии применяются для возведения малоэтажных зданий, реставрации объектов и создания архитектурных элементов. В России уже напечатано более 50 жилых домов.

Активно развивают аддитивные технологии крупные компании, такие как «Росатом», «Ростех» и «Роскосмос». Например, «Росатом Аддитивные технологии» предоставляет услуги 3D-печати металлических и полимерных изделий, а также разрабатывает оборудование, включая крупногабаритный SLM-принтер RusMelt 600M.

Крупнейший в стране центр 3D-печати «Фабрика братьев Просвириных» управляет 556 промышленными 3D-принтерами, выполняя заказы сотен партнеров в самых разных отраслях: от машиностроения и медицины до дизайна и ритейла. За последнее десятилетие компания выполнила более 13 тысяч заказов и произвела свыше 2 млн изделий, доказав, что 3D-печать стала надежным инструментом для серийного производства. Только в 2025 году фабрика произвела с помощью аддитивных методов более 21,6 тонны компонентов.

Всего на российском рынке аддитивных технологий работают более 150 предприятий.

До 2022 года большая часть (около 60%) аддитивного оборудования импортировалась. Сейчас активно развивается производство своего оборудования: например, «Росатом – Аддитивные технологии» выпускает свои 3D-принтеры RusMelt-серии. География импорта постепенно смещается, растет доля китайского оборудования.

Научные исследования сосредоточены на разработке новых материалов, оптимизации процессов печати и интеграции искусственного интеллекта. Например, Курчатовский институт совместно с МФТИ разработал алгоритмы моделирования процессов лазерного плавления для оптимизации параметров печати порошковых сплавов. Зелинский институт органической химии занимается модификацией поверхности металлических частиц для улучшения их взаимодействия с лазерным излучением.

В образовательных учреждениях открываются лаборатории и курсы по аддитивным технологиям. Например, в Казанском федеральном университете работает лаборатория инженерной школы «Кибер Авто Тех» с промышленным 3D-принтером для печати литейных форм.

Есть Ассоциация развития аддитивных технологий, в которую входят крупные игроки: «Росатом», «Газпром-нефть», «Алмаз-Антей» и др.

«Дорожная карта» ассоциации предусматривает открытие к 2030 году 180 центров аддитивных технологий, заявленное финансирование — около 81 млрд рублей.

Государство поддерживает отрасль через национальные проекты, грантовые программы и стандартизацию, что способствует локализации производства и внедрению инноваций.

Стратегия развития аддитивных технологий до 2030 года предусматривает укрепление научной базы, подготовку специалистов и оптимизацию законодательства. Федеральная программа «Цифровая экономика» (2018-2030) предусматривает финансирование исследований, создание испытательных полигонов и доступ малых и средних предприятий к современным производственным мощностям.

Национальный проект «Средства производства и автоматизации» направлен на достижение технологического лидерства в производстве станков и комплектующих, включая оборудование для аддитивных технологий. В 2025 году стартовал национальный проект «Новые материалы и химия» с бюджетом 170 млрд рублей. Российский фонд фундаментальных исследований, Российский научный фонд и Минпромторг проводят конкурсы на финансирование проектов в области материаловедения и автоматизации.

По прогнозам Ассоциации развития аддитивных технологий, к 2027 году российский рынок аддитивных технологий может вырасти более чем в три раза, до 46 млрд рублей. Драйверами роста станут импортозамещение, государственная поддержка и заказы от крупных промышленных холдингов. Главными сдерживающими рост факторами являются сложности со стандартизацией, высокие капитальные расходы, зависимость от импортных компонентов, недостаток квалифицированных специалистов.