В Центре перспективных конструкций, производственных технологий и материалов Сколтеха возлагают особые надежды на открытие в Сколково Олимпийского технопарка. Недавно сотрудники Центра объявили о том, что им удалось создать новый композитный материал - самый прочный из тех, что когда-либо были напечатаны на 3D-принтере. «Уже сейчас знакомые, которые на любительском уровне играют в хоккей или катаются на роликах, просят нас по дружбе напечатать им защиту, точно подогнанную под фигуру, легкую, но очень крепкую», - рассказал Sk.ru выпускник мехмата МГУ, ныне старший научный сотрудник Сколтеха Федор Антонов
Пока изготовление изделий сложной формы вроде анатомических защитных щитков не дается сотрудникам Центра перспективных конструкций, производственных технологий и материалов Сколтеха. В их арсенале – довольно простой и дешевый принтер, не предназначенный для выпуска продукции замысловатой конфигурации. Центр начал функционировать совсем недавно, осенью прошлого года, и к настоящему моменту самым значимым его достижением стало создание прочного и жесткого композитного материала. «Самая распространенная технология 3D-печати состоит в разогреве пластика в экструдере принтера и послойном наплавлении изделия. Если в эту тонкую струйку пластика внедрить армирующие волокна, например, углеродные, которые в несколько раз прочнее стали, то на выходе получится композитный материал крепче алюминия, - пояснил суть разработки Федор Антонов. - Основная проблема с этой технологией состоит в том, чтобы добиться хорошего качества материала - с меньшей пористостью, прочной связью между компонентами и оптимальной ориентацией волокон. Нам удалось придумать новый способ покрытия волокон специальным химическим веществом, который формирует крепкую поверхность сопряжения между компонентами композитного материала».
Работающий прототип 3D-принтера в Сколтехе может печатать очень прочные и жёсткие детали. Фото: Сколтех
Со временем идея, которую обкатывают в лаборатории композитных материалов Сколтеха, имеет хорошие шансы материализоваться в виде промышленной установки для решения серьезных задач, например, в авиакосмической отрасли. «Более приземленным ответвлением на пути внедрения нашей технологии может стать появление персональных принтеров, которые будут использоваться не в столь ответственных операциях, как изготовление деталей для самолетов и космических кораблей. Например, на бытовом 3D-принтере можно будет создавать детали для беспилотников, квадрокоптеров и роботов, ортопедические стельки, корпуса для мобильников и многое другое», - строит планы ученый из Сколтеха. Композитный диск, который Антонов и его коллеги напечатали на лабораторном принтере с демонстрационными целями, летает лучше, чем покупные тарелки для фризби.
Одним из самых активных и благодарных потребителей инновации вообще и новых материалов в частности является спорт. Соединение научного знания и спорта высоких достижений – явление распространенное и давнее. Так, в СССР, в Институте механики МГУ, где до прихода в Сколтех в 2013 году работал Федор Антонов, экспериментальная санно-бобслейная трасса появилась около полувека назад. Изучением фундаментальных механизмов трения металла об лед и методов, которые могут снизить силу трения, в институте все эти годы занимались сразу несколько лабораторий. Перед Олимпиадой-2014 в рамках подготовки сборных команд России по саням, бобслею и скелетону к Играм специалисты НИИ механики МГУ провели расчеты по проектированию тренировочных эстакад, воспроизводящих стартовые участки санных и бобслейных дисциплин олимпийской трассы в Сочи.
В авто- и мотоспорте, продолжает Антонов, новые материалы внедряют чуть ли не раньше, чем в космической и авиационной сфере. При строительстве яхт композиты используют несколько десятилетий, и сейчас угле-, стекло- и органопластик представлен на всех этапах изготовления судов. «В любом виде спорта, где есть снаряды или экипировка, особенно если это спорт высоких достижений, недостатка в инновациях нет, и подчас на перспективного спортсмена работает целая научно-производственная команда. В зимних видах спорта лыжи, доски для сноуборда, бобы и т.д. - в чистом виде продукты высоких технологий, сложная сэндвич-структура, состоящая из слоев с разными свойствами. Некоторые производители спортивного инвентаря, например австрийская компания Fischer, достигли такого уровня экспертизы в композитных материалах, что ним не считают зазорным обращаться люди из других индустрий. Так, Fischer Composit участвует в изготовлении элементов крыла для российского проектируемого самолета МС-21 и новых версий SSJ».
Федор Антонов. Фото: Сколтех.
Одним из перспективных направлений Федор Антонов называет биомиметику – копирование характерных черт или элементов живых организмов при разработке новейших материалов. Вот несколько хрестоматийных примеров биомиметики: клейкая лента, идею которой подсказали лапы ящериц; пленка с пониженными отражающими свойствами, практически не реагирующая на свет и созданная после изучения строения глаза моли; краска для кораблей, воссоздающая структуру шкуры тунца с низкой сопротивляемостью в воде на высоких скоростях.
Объясняя, что такое биомиметика, в качестве примера часто приводят и акулью кожу. Она послужила отправной точкой для создания скоростных костюмов для пловцов, ставших предметом оживленного обсуждения на пекинских Олимпийских играх. Федор Антонов говорит: «У акулы не просто эластичная кожа. На ней есть выступы, зубчики определенной формы размером несколько микрон. Они создают локальное разрежение и уменьшают сопротивление воды. Недавно появились статья, в которой ученые продолжили эту тему, создав трехмерную модель кожи акулы с размещенными на ней микрозубчиками. Сопротивление в воде снаряда, обтянутого этим материалом, стало меньше примерно на 10%». Пару лет назад стало известно, что немецкая авиакомпания Lufthansa (Германию, с 2012 года начавшую сертификацию ISO биомиметических технологий, считают мировым лидером в области биомиметики) приступила к испытаниям нового покрытия фюзеляжа Airbus A-340, который строением повторят кожу акулы. Круговая структура верхнего слоя акульей кожи, которую называют «либретто», снижает образование турбулентности и имеет эффект ослабления сопротивляемости потоку.
Еще одно перспективное направление, которым планируют заниматься в Центре перспективных конструкций, производственных технологий и материалов Сколтеха, - адаптивные (другое название – «умные») материалы, изменяющие свойства в зависимости от условий и требований. Для этого в структуру материала внедряются модифицирующие его свойства волокна и сенсоры. «Например, теннисисты смогут прямо на корте менять жесткость ракетки, а биатлонисты - характеристики лыж и палок в зависимости от особенностей трассы», - полагает собеседник Sk.ru. Партнер Сколтеха в исследованиях многофункциональных материалов - университет Южной Каролины, вузы реализуют совместный проект в этой области.
Спортивную составляющую деятельности Центра перспективных конструкций, производственных технологий и материалов Сколтеха Антонов считает весьма многообещающей. «Сотрудничество с ОКР может оказаться для нас очень полезным. Перспективных идей и материалов много. Но для нас, прикладных исследователей, гораздо интереснее работать, когда появляется конкретная задача, возможность опробовать ту или иную технологию или материал на практике, а в спорте внедрять инновации можно быстрее и легче».
Композиты, которые появятся в лабораториях Сколтеха, с большей вероятностью найдут свое применение в любительском спорте, нежели в спорте высоких достижений, прогнозирует Федор Антонов. «Хорошо, если наколенники, налокотники, прочие элементы защиты, которые используют в горнолыжном спорте, хоккее, мотоспорте, езде на велосипеде, роликах и т.д., максимально соответствуют особенностям фигуры владельца. При массовом производстве в продаже оказываются 3-5 размеров, из-за чего добиться 100-процентной анатомической точности непросто. Проблему позволит решить трехмерная печать, в основе идеологии которой лежит производство по запросу». С этой точки зрения 3D-принтеры послужат делу демократизации спорта, убежден Антонов. Еще одна сфера очевидная применения композитной технологии - паралимпийский спорт: «Используемые нами материалы биосовместимы - что углерод, что некоторые пластики. Это важно для спортсменов с ограниченными возможностями, протезы которых по сути превращаются в спортивные снаряды – вспомним пример Оскара Писториуса. Я не удивлюсь, если лет через 20 паралимпийцы будут бегать быстрее олимпийцев».