3D-принтер може за кілька годин перетворити цифрову модель на фізичний виріб. Проте точне відтворення форми ще не означає, що отриману деталь можна встановлювати в автомобіль, промисловий механізм або медичний пристрій. Саме тут починається інженерна робота: необхідно визначити властивості матеріалу, розрахувати навантаження, знайти можливі дефекти та підтвердити безпечність виробу випробуваннями.
Про можливості й обмеження адитивного виробництва розповідає Кирило Зіборов — декан механіко-машинобудівного факультету Дніпровської політехніки, кандидат технічних наук, доцент, гірничий інженер-механік. Його наукова діяльність пов’язана з динамікою та міцністю машин, моделюванням поведінки деталей під навантаженням, матеріалознавством і контролем якості промислових виробів.
Що таке адитивні технології
Адитивними називають технології, за яких виріб створюється шляхом послідовного додавання матеріалу — найчастіше шар за шаром. До них належить і 3D-друк. Цим адитивне виробництво відрізняється від традиційної механічної обробки, коли деталь отримують, видаляючи зайвий матеріал із заготовки. Наприклад, під час точіння, свердління або фрезерування. 3D-друк особливо ефективний для виготовлення прототипів — перших дослідних зразків майбутнього виробу. Він також підходить для одиничних деталей, малих серій і конструкцій зі складною геометрією, які важко або економічно недоцільно виготовляти традиційними методами.
Однак можливість надрукувати деталь ще не підтверджує її придатності до експлуатації.
Однакова форма не означає однакову міцність
Під час 3D-друку властивості виробу залежать не лише від обраного матеріалу. Значення мають орієнтація деталі, напрям укладання шарів, температура, швидкість друку, щільність внутрішнього заповнення та якість з’єднання між шарами. Для полімерних виробів особливо важливе міжшарове зчеплення — міцність з’єднання між окремими шарами матеріалу. Якщо воно недостатнє, деталь може руйнуватися саме вздовж межі між шарами. Виробам, отриманим за допомогою 3D-друку, також може бути властива анізотропія. Це означає, що міцність матеріалу залежить від напрямку прикладання навантаження. Наприклад, деталь може добре витримувати зусилля вздовж шарів, але бути менш міцною в поперечному напрямку.
Тому два вироби однакової форми, надруковані з номінально того самого матеріалу, але за різних технологічних режимів, можуть мати різну міцність і довговічність.
Дефекти, яких не видно зовні
Навіть якщо поверхня деталі виглядає бездоганно, всередині можуть залишатися пори, мікротріщини, сторонні включення або ділянки неповного з’єднання матеріалу.
Мікротріщина — це дуже малий дефект, який спочатку може не впливати на роботу виробу. Проте під дією повторюваних навантажень вона здатна поступово збільшуватися і зрештою призвести до руйнування деталі. У дослідженні 2025 року, виконаному за участю Кирила Зіборова, розглянуто поширення мікротріщин за наявності внутрішніх дефектів у металевих виливках. Автори проаналізували вплив мікропористості, геометрії дефектів і неоднорідності структури матеріалу на довговічність виробів.
Мікропористістю називають наявність у матеріалі дуже малих порожнин. Такі дефекти складно виявити звичайним оглядом, але вони можуть знижувати міцність і прискорювати появу тріщин. У науковій роботі 2026 року запропоновано розрахунковий підхід до оцінювання тріщиностійкості сталевих виливків. Тріщиностійкість показує, наскільки добре матеріал опирається виникненню та поширенню тріщин.
Дослідження стосуються передусім литих виробів, однак демонструють загальний інженерний принцип: надійність деталі визначається не лише її зовнішньою формою, а й внутрішньою структурою матеріалу.
Відновити геометрію — лише половина справи
Один із перспективних напрямів застосування адитивних технологій — реінжиніринг. Так називають відтворення конструкції вже наявного виробу, зокрема тоді, коли креслення або інша технічна документація втрачені. Спочатку деталь сканують і отримують хмару точок — цифровий набір координат, який описує форму її поверхні. На основі цих даних будують тривимірну модель, відновлюють геометрію та готують виріб до виготовлення.
Проте сканер фіксує переважно зовнішню форму. Він не визначає автоматично склад матеріалу, спосіб термічної обробки, внутрішні дефекти або навантаження, на які була розрахована оригінальна деталь. Тому після відтворення геометрії необхідно обрати матеріал і технологію виготовлення, провести інженерні розрахунки та перевірити, як деталь поводитиметься в реальних умовах.
Адитивні технології в біомедичній інженерії
Можливість створювати індивідуальні конструкції робить 3D-друк особливо перспективним для біомедичної інженерії.
У представленій на конференції ITPTIT’2024 роботі Кирила Зіборова та Костянтина Загуби досліджувалися параметри протезування суглобів пальців і характеристики з’єднання протеза з кістковою тканиною.
Під час роботи порівнювали конструктивні рішення, матеріали й технології виготовлення. Серед них — селективне лазерне плавлення, або SLM. Це технологія, за якої лазер послідовно розплавляє тонкі шари металевого порошку, формуючи готовий виріб. Адитивне виробництво дозволяє створити протез відповідно до індивідуальних анатомічних параметрів людини. Але такі вироби мають пройти особливо ретельні розрахунки й випробування, оскільки від їхньої надійності залежить здоров’я пацієнта.
Від друку — до контролю якості
У 2022 році в Дніпровській політехніці Центр діагностики і контролю якості матеріалів та виробів. Тут студенти працюють із термопластичними та композитними матеріалами.
Термопласти — це полімери, які розм’якшуються під час нагрівання і знову твердіють після охолодження. Композити складаються з кількох компонентів, поєднання яких дає матеріалу необхідні властивості, наприклад підвищену міцність або меншу масу.
Можливості Центру діагностики і контролю якості матеріалів та виробів охоплюють 3D-друк, реінжиніринг, випробування прототипів, дослідження механічних характеристик і неруйнівний контроль. Неруйнівний контроль дозволяє знаходити внутрішні або поверхневі дефекти без пошкодження самої деталі. До таких методів належать ультразвукова, рентгенівська, магнітна та інші види діагностики.
Комплексний підхід допомагає пройти весь шлях від цифрової моделі до перевіреного виробу: визначити умови його роботи, обрати матеріал, виготовити прототип, провести розрахунки та підтвердити характеристики випробуваннями.3D-принтер вирішує завдання виготовлення. Але відповідь на запитання, чи можна використовувати надруковану деталь у реальному механізмі, дають матеріалознавчі дослідження, інженерний розрахунок і контроль якості. Саме після такої перевірки прототип може стати надійним технічним виробом.
Прес-служба НТУ «Дніпровська політехніка»
