3D-печать в химии

Самым дешевым, простым и распространенным методом трехмерной печати является метод послойного наплавления (Fused Deposition Modelling - FDM). В подавляющем большинстве случаев этот метод использует направление полимера: полимер в виде нити диаметром около 2 мм, намотанной на катушку, подается в небольшой экструдер, где плавится и экструдируется (продавливается) через сопло уже в виде тонкой нити, из которой и формируются слои будущей детали. Диаметр отверстия сопла и толщина слоя в совокупности определяют разрешающую способность FDM-принтера. Конструкция такого 3D-принтера относительно проста, поэтому эти устройства производятся многими фирмами и их стоимость невысока в сравнении с 3D-принтерами, предназначенными для печати другими аддитивными методами. Существенным преимуществом FDM-технологии является дешевизна расходных материалов, в качестве которых выступают разнообразные полимеры: акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), биоразлагаемый полилактид (PLA), полиэтилентерефталат (PET), полипропилен (PP), нейлон, поликарбонат и др.

Процесс трехмерной печати элементов химического оборудования из химически стойкого пластика с помощью FDM 3D принтера.

Метод наплавления полимерной нити обладает средним пространственным разрешением (как правило, 0.1 - 0.2 мм) и обеспечивает возможность изготовления деталей разной формы и уровней сложности (рис. 1). Огромные возможности 3D-печати делают ее весьма перспективной технологией в образовании и науке. Штучное изготовление уникального лабораторного оборудования, наглядных пособий (рис. 2), макетов, моделей (в том числе работающих механизмов с движущимися частями) – все это осуществимо даже широкодоступным методом FDM-печати.

Рис. 1. 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.

Рис. 2. Шаростержневая модель молекулы, выполненная методом FDM печати из пластика PLA. Для получения более высокого качества модель изготавливалась по частям с последующей сборкой.

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.

Технология послойного направления -- достаточно зрелая, чтобы воспроизводить даже тонкие детали небольшого химического оборудования. Например, на рисунке 3 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. Конечно, это пока не то же самое, что подковать блоху, но всё идет именно к этому. При этом время изготовления смесителя составило 30 минут. Попробуйте сделать за полчаса такой микросмеситель обычными методами!

Рис. 3. Смеситель-тройник в рабочей камере 3D-принтера, выполненный из полиэтилентерефталата методом FDM.

Рис. 4. Химический микрореактор со сложным лабиринтным каналом внутри, изготовленный из PET методом FDM-печати. Показаны отдельные детали реактора и конструкция в сборе.

Возможность изготовления изделий со сложной внутренней структурой, как уже отмечалось, одно из главных достоинств 3D-печати. Эта возможность хорошо проиллюстрирована рисунком 4, на котором изображен полноценный химический реактор размером со спичечный коробок. Как и «взрослый» химический реактор, этот «малыш» имеет обечайку, крышку, соединённую болтами с обечайкой, и прокладку для герметизации рабочего пространства. Достаточно заглянуть под крышку, чтобы увидеть всю сложность внутреннего мира этого труженика науки: внутри реактора организован лабиринтный канал, заставляющий реакционную смесь, входящую в обечайку через боковой патрубок, двигаться по сложной траектории, так, чтобы время реакции было оптимальным для получения нужных продуктов. На дне лабиринтного канала есть маленькие перегородки для того, чтобы удерживать мелкодисперсный катализатор от быстрого вымывания. Продукты реакции выходят из реактора через нижний патрубок.

Микрореакторы могут состоять из любого количества элементов, каждый из которых в отдельности изготавливается с помощью 3D-печати (рис. 5). Отдельные элементы (рис. 6) в конечном итоге объединяются в работоспособные химические установки (рис. 7).

Рис. 5. Микрореактор, состоящий из обечайки, крышки, каталитического картриджа и сменного патрубка. Показаны отдельные детали реактора, реактор в сборе и трехмерная модель сборки.

Рис. 6. Смеситель и зигзагообразный микрореактор, выполненные из PET.

Рис. 7. Лабораторная химическая установка, собранная из микрореактора и смесителя, созданных методами FDM-печати.

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.

Пример использования 3D-печати в создании фотохимического реактора:

"Visible Light Mediated Metal-free Thiol–yne Click Reaction", Chem. Sci., 2016, 7, 6740-6745, DOI: 10.1039/C6SC02132H. Онлайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1039/C6SC02132H