CC BY
68
УДК 66.02, 66.023.2 Апостолов А.Г.
ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ИССЛЕДОВАНИЯХ В ОБЛАСТИ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОГО ИНЖИНИРИНГА
Апостолов Апостол Георгиев, студент 2 курса магистратуры факультета Цифровых технологий и химического инжиниринга; e-mail: apostolov_muctr@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Настоящая статья предоставляет читателю возможность узнать больше об использовании технологий аддитивного производства для нужд экспериментальной химии и химической технологии, благодаря проведённому анализу отечественных и зарубежных научных работ.
Ключевые слова: аддитивные технологии, химия, химическая технология, 3D печать, прототипирование, масштабирование химико-технологических процессов.
AN ANALYSIS OF THE APPLICATION OF ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGIES IN STUDIES IN THE FIELD OF CHEMISTRY AND CHEMICAL ENGINEERING
Apostolov Apostol Georgiev
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
The following article presents to the reader an opportunity to find out more about the use of additive manufacturing technologies for the needs of experimental chemistry and chemical technology as a result of the analysis of domestic and foreign research papers.
Keywords: additive technologies, chemistry, chemical engineering, 3D printing, prototyping, chemical process scaling up.
Введение
Перед тем как изложить довольно обобщённый анализ, показывающий, как на сегодняшний день учёные химики и инженеры-химики используют цифровые технологии для совершенствования процессов химической индустрии, необходимо коротко ознакомиться с историей и методами построения физических структур по технологии прибавления материала.
До появления цифровых технологий обработки и создания виртуальных и физических объектов, производство деталей, узлов и машин осуществлялось полностью по технологиям отнятия материала. Это, прежде всего, относится к области машиностроения и токарной обработки для создания деталей, узлов, механизмов и аппаратов. Однако развитие вычислительных устройств, их эволюция и создание всё более эффективных программных комплексов для обработки данных и симулирования разных физических процессов в виртуальной среде, привело к появлению идей, а потом и к созданию методов и техник для получения физических объектов из цифровых моделей.
Таким образом, в начале 80-х годов ХХ века была создана первая технология изготовления физических объектов методом послойного затвердевания фотополимерной смолы. Изобретатель и инженер Чарльз Халл, создал стереолитографический метод печати трёхмерных объектов фотополимером, затвердевающим под воздействием ультрафиолетового света. В 1984 году был запатентован первый в мире 3Б принтер, а в
1986 году была создана и компания, занимающаяся продвижением технологии трёхмерной печати, моделирования, сборки принтеров и поставкой фотополимеров.
С тех пор многое изменилось - увеличилось количество методов выращивания объектов, производительность принтеров, разнообразие материалов из которых можно изготовить объект, а самое главное - доступность технологии трёхмерной печати.
Аддитивные технологии, аддитивное
производство - с англ. - additive techniques, additive manufacturing (add- добавлять, прибавлять; additive - прибавляемый), как видно из происхождения слов, указывает на значение - это технологии создания физических объектов (имеющие любую форму) методом прибавления материала.
В доступном русскоязычном пособии [1] приведено определение аддитивных технологии из стандарта ASTM F2792.1549323. Документ разработан Американским международным обществом тестирования и материалов (American Society of Testing and Materials International - ASTM International). Определение описывает аддитивные технологии как : «на английском - process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies», тогда на русском языке можно перевести: процесс присоединения материала, с целью чтобы построить (построения) объектов из данных (по данным) трехмерной модели, как правило, слой за слоем, в отличие от отнимающих
технологий». Приведённое определение является достаточно чётким и ясным.
Так как в настоящей работе интерес представляет использование ниже приведённых аддитивных технологий (см. Табл. 1.), в химии и химической технологии, подробно не рассмотрены технологии трёхмерной печати. Следует отметить, что за последние десятилетия темпы изучения аддитивных
Использование аддитивных технологий в области экспериментальной химии.
Большое распространение технологии трехмерного моделирования получили в области экспериментальной химии и технологии получения стёкол и керамик. Благодаря трёхмерной печати можно создавать формы любой сложности для дальнейшей отливки или спекания объектов. В работе [4] наглядно показаны возможности создания сложных форм для горячего литья огнеупорной керамики методами экструзионной аддитивной технологии. Благодаря этому исследователи улучшили литейные формы и изучили свойства полученных объектов. Авторы отмечают положительное влияние использования сжигаемых полимерных форм полученных методами экструзионной печати для отливки сложных геометрических силикатных и керамических
технологий растут, поэтому можно найти большое количество научных и научно-популярных работ, описывающих как подробно, так и обобщённо принципы создания трёхмерных физических объектов.
Основываясь на анализе работ [2,3], на сегодняшний день можно выделить следующие методы создания трёхмерных объектов:
изделий, что существенно упрощает исследование их физических свойств и возможное производство.
Другая работа в области химии и технологии керамики и силикатов [5] исследует возможности получения прозрачного силикатного стекла. Прозрачные образцы силикатного стекла с предварительно заданной формой получены благодаря использованию стереолитографического метода печати. Для получения прозрачного стекла, предварительно в фотополимерной смоле распределяются частицы мелкодисперсного диоксида кремния и нанокомпозита (аморфные наночастицы кремния). Далее после смешения компонентов получилась многокомпонентная смола, которая была использована в качестве носителя для предварительной печати объектов. После затвердевания полимера модели были подвергнуты высокотемпературному спеканию. Как показали
Таблица 1. Виды наиболее часто используемых аддитивных технологий для мелкосерийного производства и прототипирования деталей, механизмов и аппаратов в машиностроении.
Метод Технология Исходные материалы
Экструзионный Моделирование методом послойного наплавления (FDM - fused deposition method) Термопластики: чаще всего полимолочнаякислота (PLA), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) и др.
Порошковый Прямое лазерное спекание металлов (DMLS - direct metal laser sintering) Практически любые металлические сплавы
Электронно-лучевая плавка (EBM - electron beam melting) Титановые сплавы, кобальтохромовые сплавы, нержавеющая сталь, алюминий
Выборочная лазерная плавка (SLM - selective laser melting) Сплавы Ti, сплавы Cr-Mo, нержавеющая сталь, сплавы Al
Выборочное тепловое спекание (SHS - selective heat sintering) Порошковые термопластики
Выборочное лазерное спекание (SLS - selective laser sintering) Термопластики, металлические порошки, керамические порошки
Струйный Струйная трехмерная печать (3DP - three dimension print) Гипс, пластики, металлические порошки, песчаные смеси
Ламинирования Метод послойного ламинирования (LOM - laminated object manufacturing) Листовой материал (бумага, металлическая фольга, пластиковая пленка)
Полимеризации Стереолитография (SLA - stereolitograpy) Фотополимеры
Цифровая светодиодная проекция (DLP - digital laser processing)
результаты, полученные стёкла были прозрачными и сохранили заданную предварительной печати форму.
Работа [6], которая тоже находится в области химии и технологии керамики, рассматривает путь получения кремний-углеродной керамики с заданной пористостостью. Учёным удалось получить керамику, с разной пористостью используя разновидность технологии стереолитографии. Похожая работа [7] предлагает метод быстрого высокотемпературного синтеза керамики любой формы, а для придания формы изделию, на подготовительной стадии, также используются SLA аддитивные технологии.
Использование аддитивных технологий для интенсификации химических процессов в реакторной среде и при создании и исследовании новых типов реакторов.
Работа [8] подробно раскрывает возможности использования аддитивных технологий при создании реакторов, химико-технологических систем и их лабораторное исследование. Авторы рассмотрели и испытали возможность создания микрореакторов и реакционных систем при использовании аддитивных технологий. В работе проанализированы пять наиболее развитых аддитивных технологий - стереолитография (SLA -stereolitography), метод многоструйного
моделирования (MJM - multi jet modelling), выборочная лазерная плавка (SLM - selective laser melting), лазерное спекание (LS - laser sintering), моделирование методом послойного наплавления (FDM - fused deposition method). Благодаря использованию этих аддитивных технологий были созданы разные микрореакторы, что позволило изучить их эффективность при протекании разных органических и неорганических реакций. В работе также приводится обобщающая таблица, где сравнены преимущества и недостатки основных методов 3D печати для изготовления микрореакторов и реакторных систем.
Работа [9] описывает создание сложных химических соединений. Там отмечается, что синтез некоторых активных лекарственных веществ, на сегодняшний день является достаточно сложный химический и технологический процесс, требующий большое количество ресурсов. Авторы отмечают, также, что лабораторный синтез любого химического соединения, в тонкой химической технологии, сильно отличается от промышленного его получения. Однако исследователи из Университета Глазго, проанализировали путь синтеза несколько важных активных фармацевтических веществ и решили, что могут изменить масштабы и систему их синтеза. При помощи САПР была спроектирована компактная установка синтеза. Далее цифровой проект был реализован, при помощи аддитивной технологии послойного наплавления материала. В качестве материала для реакторов был использован полипропилен. Таким образом, была доказана возможность уменьшения размеров производства, а
также, что при помощи аддитивных технологий можно создать копию промышленной установки синтеза в масштабе и испытать разные режимы работы и формы реакторов. Также было подтверждено, что при разных режимах работы системы синтеза, конечный продукт не изменялся. Очень важно оценить, что таким в процессе разработки была создана цифровая копия установки синтеза и благодаря этому возможно создание симуляции движения потока реагента в объёме реактора. Таким образом, цифровой двойник установки предоставляет возможность гораздо быстрее дорабатывать и совершенствовать процесс и аппарат, что повысит эффективность и качество [39, 45].
В работе [10] представлен обзор уровня техники и возможностей будущего использования аддитивного производства (АП). Учёные рассматривают использование трехмерной (3D) печати или АП для исследования химических процессов и их приложение в аналитической химии. Был сделан вывод, что трёхмерная печать потенциально может революционизировать химическое производство, позволяя создавать модели и прототипы, что было бы невозможно при использовании других технологий [11]. Кроме того технологии аддитивного производства позволяет инженерам и ученым быстро замкнуть цикл разработки, изготовления и применения изделий и прототипов. Эти аспекты имеют особое значение для процессов и аппаратов химической технологии, где гибкость в конструкции реактора и интеграция аналитики в реальном времени часто являются ограничивающими факторами. Применение 3D-печати по отношении к химическим процессам открывает новое исследовательское пространство на стыке химии и техники, о котором впервые сообщил коллектив учёных [12].
В работе [13] рассмотрено и проанализировано как компьютерные технологии изготовления в сочетании с подходами моделирования и обработки данных изменяют способ изготовления и проектирования функциональных объектов. Работа предлагает использование аддитивных технологии для создания катализаторов и в химическом машиностроении. Авторы работы рассматривают неуклонно возрастающее влияние аддитивного производства на создание и внедрение нового оборудования для химических лабораторий и опытных производств. Отмечается, что еще на ранней стадии, быстрый и плавный переход между цифровыми данными и физическими объектами, обеспечиваемый инструментами аддитивных технологий
изготовления объектов, идёт на пользу, как при разработке, так и производству реакторов и структурированных катализаторов. Также благодаря оптимизации геометрии реакторов, с помощью вычислительной гидродинамики и
экспериментальной оценки свойств, аддитивное производство сокращает разрыв между теорией и
экспериментом, обеспечивая точное изготовление деталей и узлов. В своей работе учёные освещают исследования с использованием 3D-печати и компьютерного моделирования в качестве цифровых инструментов для проектирования и изготовления реакторов и структурированных катализаторов. Их целью является научно-исследовательский вклад работы для стимулирования взаимодействия на перекрестке химии и материаловедения, с одной стороны, и цифрового изготовления и компьютерного моделирования, с другой. Выводы
Проведённый анализ научных работ предоставляет возможность сделать вывод, что использование аддитивных технологий для изготовления компьютерно-оптимизированных
геометрий физических объектов и их экспериментальное изучение приведёт к усилению взаимодействия между профессиональными сообществами, занимающимися экспериментальной и модельно-конструкторской работой. Это создаст необходимость в формировании
междисциплинарных профилей для изучения возможностей разработки компьютерно-
программируемых материалов и установок для химии и химической технологии. Эти и другие изменения могут стать частью образовательных программ для подготовки ученых и инженеров, которые будут применять новые возможности цифрового производства [14-25].
Главное направление использования 3D-печати на данный момент в первую очередь удовлетворяет быстро меняющиеся потребности в исследовательских лабораториях. Химические реакторы и другие аппараты могут быть спроектированы и потенциально изготовлены для выполнения высокоспецифичных экспериментов. При необходимости, путем взаимодействия с аналитическим оборудованием можно выполнять анализы при интеграции во время производства в технологическую систему детектирующие устройства. Кроме того, аддитивное производство облегчает использование концепций
прототипирования оборудования, как например проточных реакторов в лабораторных масштабах, то уровень промышленного производства напрямую будет зависеть от внедрения цифровых технологий в образование и НИОКР [43-45]. Если рассмотреть, фармацевтическую и другие отрасли тонкой химической технологии, где при производстве используются периодические реакторы, всё связано напрямую с технологическим циклом, выполняемым в лабораторном синтезе продуктов. Изучение реакций, протекающих в проточных реакторах в лабораторных масштабах, позволило бы исследовать и расширить условия синтеза химических продуктов в более широком диапазоне (например, некоторые реакции не считаются безопасными для проведения в реакторах периодического действия) [41-42]. Следовательно, использование аддитивных технологий позволило бы использовать
технологические карты и получать продукты, которые в настоящее время недоступны в промышленном масштабе. [29-35]
Однако необходимо отметить, что требуется повышение термической и химической совместимости строительных материалов для 3D-печати. Это способствовало бы более широкому влиянию аддитивного производства на непрерывное химическое производство [8]. Основные шаги уже были предприняты путем использования полипропилена, металлов и керамики для 3D-печати.
Тем не менее, все еще большое влияние имеет конечная стоимость печати, пока не возможно достаточно точно контролировать шероховатость поверхности внутренних частей реактора из-за чего могут нарушаться некоторые гидродинамические условия протекания реакции. Необходимо усовершенствовать или создавать стандарты и стандартизированные протоколы для испытаний изделий полученных путём аддитивных технологий и т.д. [36-39]
Новые подходы к изготовлению деталей могут помочь в решении этих проблем. Например, шероховатость внутренней поверхности в реакторах, полученных при помощи 3D-печатьи, напрямую связана с ориентацией детали во время печати, толщиной слоя и способом создания внутренних пустот, а также тип и возможности для удаления материала подложки детали.
Существенное влияние на разработку и интенсификацию оказывает область цифрового симулирования гидродинамики потока на микроуровне. Вследствие этих исследований при использовании стереолитографических методов печати набирает обороты для изготовления микрореакторов с особой схемой внутренних каналов потока и высоким качеством поверхности. Однако фотополимеры обычно имеют плохую термическую и химическую стабильность. Тогда можно использовать «керамическую
стереолитографию» для производства
высококачественных керамических деталей путем фото-сшивания керамических порошков с последующим выгоранием и спеканием связующего, а это может быть значимым направлением для изучения в этом контексте. По сравнению с литьем керамики под давлением этот подход позволяет создавать более сложные геометрии и избегает затрат и задержек изготовления пресс-форм [13]. Благодарности
Автор выражает свою благодарность за помощь в написании работы академику Мешалкину Валерию Павловичу.
Список литературы
1. М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина, «Аддитивные технологии в машиностроении», СПбГУ, Санкт Петербург, 2013. - 222 с.
2. С. Н. Литунов, В. С. Слободенюк, Д. В. Мельников - Обзор и анализ аддитивных
технологий. Часть 1., Омский научный вестник, №1 (145) 2016, с.12-16.
3. С.Н. Литунов, В.С. Слободенюк, Д.В. Мельников, В.В. Федянин, Н.С. Кощеева Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 2., Омский научный вестник. - 2016. - №5 (149). -с.20-24.
4. Опыт практического применения аддитивных технологий в производстве керамических изделий / М.М.Киселев, М.А.Вартанян, В.И.Путляев, П.В.Евдокимов, Е.В.Кукуева // Успехи в химии и химической технологии. -2017. - №3(184). - с.46-48.
5. Kotz, F., Arnold, K., Bauer, W. et al. Three-dimensional printing of transparent fused silica glass. Nature 544, 337-339 (2017). https://doi.org/10.1038/nature22061
6. Zocca, A., Gomes, C., Staude, A., Bernardo, E., Günster, J., & Colombo, P. (2013). SiOC ceramics with ordered porosity by 3D-printing of a preceramic polymer. Journal of Materials Research, 28(17), 2243-2252. doi:10.1557/jmr.2013.129
7. Wang C, Ping W, Bai Q, et al. A general method to synthesize and sinter bulk ceramics in seconds. Science. 2020;368(6490):521-526. doi:10.1126/science.aaz7681
8. Capel AJ, Edmondson S, Christie SD, Goodridge RD, Bibb RJ, Thurstans M. Design and additive manufacture for flow chemistry. Lab Chip. 2013;13(23):4583-4590. doi:10.1039/c3lc50844g
9. Kitson PJ, Marie G, Francoia JP, et al. Digitization of multistep organic synthesis in reactionware for on-demand pharmaceuticals. Science. 2018;359(6373):314-319. doi:10.1126/science.aao3466
10. Anastas, P.T., Sans, V., Dragone, V. and Cronin, L. (2020). Applications of 3D Printing in Synthetic Process and Analytical Chemistry. In Handbook of Green Chemistry, P.T. Anastas (Ed.). doi:10.1002/9783527628698.hgc141
11. Dimitrov, D., Schreve, K., and de Beer, N. (2006) Advances in three dimensional printing - state of the art and future perspectives. Rapid Prototyping Journal, 12, 136-147.
12. Symes, M.D., Kitson, P.J., Yan, J., Richmond, C.J., Cooper, G.J.T., Bowman, R.W., Vilbrandt, T., and Cronin, L. (2012) Integrated 3D-printed reactionware for chemical synthesis and analysis. Nature Chemistry, 4, 349-354.
13. Parra-Cabrera C, Achille C, Kuhn S, Ameloot R. 3D printing in chemical engineering and catalytic technology: structured catalysts, mixers and reactors. Chem Soc Rev. 2018;47(1):209-230. doi: 10.1039/c7cs00631d
14. Мешалкин В. П., Ходченко С. М. Сущность и виды инжиниринга энергоресурсоэффективных химико-технологических систем // Все материалы. Энциклопедический справочник. — 2017. — № 6. — С. 2-10.
15. Мешалкин В. П., Товажнянский Л. Л., Капустенко П. А. Основы теории
ресурсосберегающих интегрированных химико-технологических систем. — Нац. техн. ун-т Харьков. политехн. ин-т (Харьков), 2006. — 411 с.
16. Мешалкин В. П., Образцов А. А. Оптимизация компоновки объектов химических производств как задача ресурсосбережения // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК ЛЭРЭП-4-2009). Сборник научных трудов Междунар. науч.-практ. конф. (Самара, 21-23 сентября 2009г.). — Т. 1. — Самара: Самарский гос. аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва Самара: Самарский гос. аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва, 2009. — С. 168-172.
17. Мешалкин В. П. Ресурсоэнергоэффективные методы энергообеспечения и минимизации отходов нефтеперерабатывающих производств: основы теории и наилучшие практические результаты. - М.; Генуя: Химия, 2010. - 393 с.
18. Meshalkin V.P. Energy-saving technology performance and efficiency indexes //Chem. Eng. Transactions. - 2009. - Т. 18. - С. 953-958.
19. Мешалкин В.П., Товажнянский Л.Л., Капустенко П.А. Основы энергоресурсоэффективных экологически безопасных технологий нефтепереработки. -Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. - 616 с.
20. ГОСТ Р 57306-2016. Инжиниринг. Терминология и основные понятия в области инжиниринга.
21. ГОСТ Р 52104-2003 .Ресурсосбережение. Термины и определения.
22. ГОСТ Р 53905-2010. Энергосбережение. Термины и определения.
23. ГОСТ Р ИСО 50001-2012. Системы энергетического менеджмента.
24. ГОСТ Р 56222-2014. Ресурсосбережение. Обращение с отходами. Термины и определения в области материалов.
25. ГОСТ Р ИСО 14001-2016. Системы экологического менеджмента. Требования и руководство к применению.
26. http://eippсb.jrc.ec.europa.eu/reference/ Best Available Techniques REFerences «BAT-BREF».
27. Боравский Б.В., Скобелев Д.О., Венчикова В.Р., Боравская Т.В. Наилучшие доступные технологии. Аспекты практического применения. - М.: «Перо», 2014. - 184с.
28. Мешалкин В.П. Логистика и электронная экономика в условиях перехода к устойчивому развитию. - М.: АНО «Изд-во физ.-мат. лит.», 2004. - 408 c.
29. Л. Осика. Современный инжиниринг: определение и предметная область // ЭнергоРынок. - апрель 2010. - № 04 (76) (http://www.e-m.ru/er/2010-04/29516/).
30. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. - М.: Химия, 1993.
31. Мешалкин В.П., Мошев Е.Р. Комплекс программ поддержки жизненного цикла трубопроводных систем нефтехимических предприятий // Прикладная информатика. 2016. Т. 11. № 4 (64) С. 57-75/
32. Методология структурного анализа и проектирования: [Пер. с англ.] / Дэвид А. Марка, Клемент Л. МакГоуэн; Предисл. Д. Т. Росса. - М.: Фирма "Мета Технология", 1993. -240 с.
33. Руководящий документ РД IDEF 0 - 2000. Методология функционального моделирования IDEF0. - М.: Госстандарт России.
34. Ицкович Э.Л. Развитие АСУ технологического производства в рамках концепции Индустрия 4.0 (Industry 4.0), «Датчики системы», №7 (2016) июль 2017.
35. Справочник химика 21. Химия и химическая технология / URL:
http://www.chem21.info (дата
обращения: 15.05.2020)
36. Белоглазов Н.Н., Муравьев А.И. Интенсификация и повышение эффективности химико-технологических процессов, «Химия», 1988. - 206 с. :ил.
37. Кардашов Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии, - М.: «Химия», 1990, - 208с.
38. Кафаров В. В., Мешалкин В. П. Ресурсосберегающие химические производства
// Итоги науки и техники. ВИНИТИ. Сер. Процессы и аппараты хим. технологии. — Т. 15. — 1987. — С. 85-158.
39. Jacob A. Moulijna, Andrzej Stankiewiczb, Johan Grievinka, Andrzej Gorak. Process intensification and process systems engineering: A friendly symbiosis
40. Edited by Frerich Johannes Keil. Process intensification / URL:
https://www.degruyter.com/view/i7revce.2018.34.is sue-2/revce-2017-0085/revce-2017-0085.xml (дата обращения: 15.05.2020)
41. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем: - М.: Химия, 1991. -432 с.
42. European roadmap of process intensification / Creatieve Energie / URL: https://traxxys.com/wp-
content/uploads/2017/05/2.2.8.1 Technology Repo rt Reactive Distillation Schoenmakers.pdf (дата обращения: 15.05.2020)
43. R. Smith Chemical Process Design and Integration, 2nd. Ed, "WILEY", 435 p.
44. J.J. Klenes, P.S. Varbanov etc., Sustainable Process Integration and Intensification, 2nd ed., DEGRUYTER, 789p.
45. Andrzej I. Stankiewicz, Jacob A. Moulijn Process Intensification:Transforming Chemical Engineering // Chemical Engineering Progress.- 2000. - pp.2234.
