Трёхмерная печать в химии

Группа исследователей из Лаборатории металлокомплексных и наноразмерных катализаторов (Институт Органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН) под руководством члена-корреспондента РАН Валентина Ананикова провела методическое исследование о возможностях применения трехмерной печати, осуществляемой по технологии послойного наплавления пластика (FDM/FFF) в синтетической органической химии.

Работа выполнена с использованием принтера Designer PRO 250 от компании PICASO 3D. Подробные результаты исследования опубликованы в журнале Известия Академии наук,Серия химическая (Е.Г. Гордеев, Е.С. Дегтярева, В.П. Анаников, «Анализ возможностей технологии 3D-печати для развития практических приложений в области синтетической органической химии», Известия АН, Сер. хим., 2016, № 6, с. 1637-1643).

Насколько трехмерная печать может быть полезна в повседневной работе химической лаборатории?

Научная тематика наших исследований достаточно разнообразна: разработка новых каталитических систем на основе комплексов переходных металлов и на основе углеродных наноматериалов (графен, углеродные нанотрубки, аморфный наноуглерод); фотохимический катализ; разработка технологий так называемой «зеленой химии» (поиск условий проведения химических процессов в нетоксичных растворителях с максимально возможными выходами и селективностями); синтез биологически-активных веществ; разработка экологически безопасных материалов на основе продуктов конверсии биомассы; электронная микроскопия и масс-спектрометрия; квантово-химическое моделирование механизмов химических реакций.

Естественно, что в таком большом коллективе часто возникают задачи, связанные с проектированием и производством химического оборудования для различных экспериментов. Именно поэтому было решено попробовать трехмерную печать, как универсальный и быстрый метод производства небольших изделий почти любой сложности.

Можно выделить два направления использования принтера в нашей деятельности: производство химических микрореакторов и производство различного вспомогательного оборудования.Микрореакторы – это установки для проведения в них химических реакций в лабораторных условиях, проектируемые специально для каждого эксперимента. Это не типовое оборудование, его нельзя купить готовым, и это, зачастую, сложные изделия, которые непросто сделать классическим методами. Поэтому трехмерная печать позволяет быстро производить такие изделия и оптимизировать их конструкцию, проверяя эффективность различных вариантов. Создание микрореакторов, в которых реакционная масса непосредственно контактирует с пластиковой стенкой, затруднено вследствие ограниченной химической стойкости пластиков и низкой герметичностью изделий, изготовленных по технологии FDM, обусловленной их слоистым строением.

Поэтому чаще всего микрореактор представляет собой сборную конструкцию, в которой сама реакция проводится в стеклянной емкости, а принтер используется для создания оснастки: охлаждающих рубашек с фланцами для крепления различного оборудования, камер с одним или несколькими источниками света для проведения фотохимических реакций и прочего. Из вспомогательного оборудования в нашей лаборатории производятся разнообразные подставки для лабораторной посуды любого типа, запасные части установок.

Иногда с помощью 3D печати мы создаем модели молекул, различные «наглядные пособия»для школьников и студентов с целью популяризации этого метода производства. Относительно недавно нашей лабораторией был организован демонстрационный показ работы 3D принтера для сотрудников нашего института. Designer PRO 250 в течение недели печатал образцы различного мелкого химического оборудования, чтобы показать коллегам преимущества технологии для их научной работы. Выбор именно трехмерной печати обусловлен ее неограниченными возможностями для создания изделий сложной формы за короткое время. В химическом эксперименте используется оборудование с внутренними полостями: тонкими каналами (часто изогнутой формы - для лучшего теплообмена и увеличения времени контакта реагентов), рубашками для нагрева, охлаждения реакционной массы и поддержания ее постоянной температуры, глубокими цилиндрическими отверстиями большого диаметра с уклонами и скруглениями для размещения в них пробирок.

Изготовить такие модели классическими субтрактивными методами (то есть фрезеровкой, сверлением, токарной обработкой) сложно, долго, дорого и в условиях химической лаборатории часто и невозможно. Обычно для этого требуется дорогостоящее обрабатывающее оборудование с ЧПУ, для которого необходимо отдельное помещение из-за шума и большого количества стружки.Некоторые изделия с глухими полостями вообще невозможно изготовить классическими методами. Конечно, можно сделать их по частям, но тогда придется обеспечиватьгерметичность в месте стыковки деталей с помощью прокладок или сваркой, что усложняет производство. Для небольших элементов установка прокладок может быть невозможной: нужно, чтобы изделие имело цельную оболочку, и в создании таких конструкций трехмерная печать вне конкуренции. Заказывать изготовление оборудования где-то на стороне возможно (и такой опыт у нас есть),но в этом случае значительно замедляется наша работа: даже при изготовлении нескольких штук небольших реакторов средней сложности может уйти несколько недель ожидания. Часто для изготовления у стороннего производителя требуется составление технического задания с подробными чертежами, что также не ускоряет дело. Современная наука – это высококонкурентная сфера деятельности и длительные проволочки здесь нежелательны.

Ситуация с производством классическими методами на стороне осложняется еще и тем, что в научном исследовании мы разрабатываем уникальную оснастку для своих экспериментов. Очень часто для новых изделий требуется оптимизация, то есть изготовление и испытание разных вариантов конструкции для выбора наилучшего. Необходимо быстро создавать модификации конструкции, испытывать их, выявлять недостатки, вносить изменения и производить улучшенные версии. Снова испытывать, снова вносить изменения… Каждая итерация должна происходить как можно быстрее, поэтому 3D печать непосредственно в лаборатории существенно ускоряет исследование.

Важным преимуществом FDM печати является дешевизна расходных материалов. Очень часто мы производим для лаборатории не только научно-исследовательское оборудование, но и различные вспомогательные изделия: подставки для ампул, пробирок, виал, 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 неприемлемо 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 нашей лаборатории успешно изготовлены реакторы из полипропилена (PP) и полиоксиметилена (POM), с которыми успешно справляется обычный FDM принтер. Но не все так просто.

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 адгезией 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. Выбор принтеров PICASO 3D был прост: это единственный аппарат российского производства, обладающий техническими параметрами, не уступающими импортным аналогам. Designer PRO 250 обладает относительно высокой точностью печати, приемлемой ценой, ремонтопригоден в случае возникновения неисправности, способен печатать одновременно двумя материалами (эту возможность мы используем при создании разноцветных моделей молекул), оснащен закрытой камерой. Немаловажно и то, что принтер использует широко распространенные катушки пластика, а не фирменные картриджи. Очень важна русскоговорящая техническая поддержка и близкое расположение самой фирмы-производителя от Москвы, где находится наш институт. Сотрудники технической поддержки помогали нам не только в вопросах, связанных непосредственно с работой принтера, но и в общеметодических вопросах трехмерной печати, что, безусловно, было для нас важным в первое время использования. Трехмерная печать в общем и имеющийся у нас 3D принтер в частности, будут использоваться нами в проектах, связанных с созданием химических микрореакторов, работающих в неагрессивных средах, а также для создания оснастки классического стеклянного химического оборудования. Наряду с этим мы постепенно осваиваем и печать химически стойкими полимерами. Такая оснастка, проектируемая для каждого эксперимента, в котором это необходимо, конечно, открывает широкие возможности по сборке более сложных и эффективных химических установок. На основании нашего опыта мы можем заключить, что FDM принтер в экспериментальной химической лаборатории скорее полезен и как универсальное средство производства, и как интересный образец современных технологий, привлекательный для молодого поколения будущих исследователей.

• Евгений Гордеев, к.х.н., научный сотрудник
• Евгения Дегтярёва, аспирант
  
  

Больше историй читайте на нашем сайте!