Новые материалы 2027 аддитивного производства

Исследования в области разработок новых материалов, а также перспективы производства во многом лежат в основе успеха промышленной революции. Ожидается, что оба направления продолжат развитие. В течение следующих 20 лет три основных направления научно-исследовательской деятельности обещают стать революционными: новые материалы, аддитивное производство, энергия.

Уникальные и удивительные свойства инноваций

Направления разработки новых материалов и передовых методов производства — это обширная область исследований, затрагивающая действительно уникальные и удивительные свойства 2D-материалов. Намечаются:

• новые методы 3D-производства,
• уникальные конструкции,
• интеллектуальные материалы,
• квантовые слияния и поглощения,
• нанотехнологии,
• био-производство.

Отмеченный список предполагает широкий спектр применений, возможно, с выработкой и хранением энергии (аналогично аккумуляторным батареям).

Революция в области исследований двумерных материалов стартовала сразу после выделения и начальной характеристики графена. Недавно разработано семейство топологических изоляторов и дихалькогенидов переходных металлов.

Эти и другие новые материалы вызвали значительный ажиотаж в области исследований и разработок, начало которым положило открытие графена в 2004 году и присуждение Нобелевской премии по физике (2010 год) первооткрывателям А.Г. Гейму и К.С. Новосёлову.

Непревзойдённые свойства графена

Графен — новый материал на основе углерода с широким спектром экстремальных механических, физических, химических и электрических свойств, которых не отмечается ни у одного другого известного материала. Графен химически стабильный материал, является нетоксичным, лёгким и относительно простым в производстве материалом на основе доступного сырья.

Индивидуальные свойства графена превосходят свойства обычных материалов, а структурное сочетание свойств видится уникальным. Ожидается, что эта уникальность приведёт к значительному улучшению материалов будущего:

• аэрокосмической промышленности,
• высокочастотной электроники,
• функциональных покрытий,
• хранения энергии,
• маскировки,
• оружейных технологий,
• защиты,
• датчиков,
• переносных устройств.

Другие новые двумерные материалы, такие как фосфорен, гексагональный нитрид бора и дихалькогениды переходных металлов, также продемонстрировали уникальные и неожиданные характеристики.

Исследования и разработки в области двумерных материалов ведутся по всему миру. Китай, в частности, исполняет ведущую роль в исследованиях двумерных материалов. Китайским учёным удалось добиться значительного прогресса в коммерциализации, как и южнокорейским специалистам.

Десять лет назад графен позиционировался как один из двух флагманских проектов Европейского Союза по будущим и новым технологиям с бюджетом $1 млрд. на десятилетний период. Тем самым отметилась самая значительная исследовательская инициатива в истории Европы. И вот теперь эта инициатива успешно завершается.

Решающие факторы будущих технологий

Фундаментальные свойства 2D-материалов могут стать решающими факторами для целого ряда будущих технологий. Несмотря на то, что проблемы с производством и масштабируемостью остаются, графен и другие двумерные материалы в конечном итоге предложат революционные технологические улучшения. Однако развитие и применение военного потенциала в течение следующих 10-15 лет, скорее всего, покажут эволюционное состояние.

Прогресс практически очевиден при объединении 2D-материалов для формирования новых классов слоистых гетероструктурных материалов, а также при использовании традиционных объёмных материалов. Ранние эксперименты со сложенными двухслойными, трехслойными и скрученными листами графена также продемонстрировали замечательные электрические свойства (сверхпроводимость), чем обещается создание биосенсоров.

В целом следует ожидать повышения прочности, срока службы и снижения веса/размера. Результатами исследований станут новые усовершенствованные устройства:

• Интеграция с обычными полупроводниковыми устройствами для улучшения; инфракрасного фотодетектирования для тепловизоров или для достижения более быстрой оптической модуляции широкополосной связи;
• Детекторы биологического и химического оружия;
• Барьеры для специфических биохимических молекул;
• Проводящие мембраны для гибкой или печатной электроники;
• Высокоскоростная электроника для поддержки разработки изображений и определения дальности, а также под терагерцовые (ТГц) частоты связи;
• Охлаждение электроники за счёт превосходной теплопроводности графена;
• Разработка графеновой оптоэлектроники и фотоники для солнечных батарей, сенсорных экранов, фотодетекторов и сверхбыстрых лазеров.

Текущие исследования 2D-материалов затрагивают процедуры от производства и хранения энергии до оптоэлектроники и биохимического зондирования, а также гибких, лёгких, но механически прочных тканей и проводящих полимеров. С точки зрения обороны, разумно сосредоточить внимание на тех технологиях, которые могут обеспечить ключевые преимущества в краткосрочной и среднесрочной перспективе. Одной из этих ключевых областей рассматривается оптоэлектроника.

Исследования графена на промышленном поле деятельности

На промышленном поле деятельности проводятся испытания применения графена в различных технологиях, затрагивающих сектора:

• электроника,
• медицина,
• аэрокосмическая промышленность,
• автомобилестроение,
• хранение энергии,
• опреснение воды,
• композиты,
• покрытия и краски,
• солнечные технологии,
• нефть и связь.

Другие вариации также изучаются для применения в области обороны и безопасности. Кремний, даже учитывая плотное изучение и широкое применение, имеет дополнительные свойства (состояния), представляющие интерес для учёных. Примером может служить чёрный кремний (микроструктурированный), способный активно поглощать видимый и инфракрасный свет поверхностными ловушками с микро-шипами.

Кремний потенциально применим в производстве фотодетекторов, систем ночного видения и солнечных батарей. Другой тип исследуемого материала — топологический, класс квантовых структур, квантовые состояния которых неестественно стабильны при изменении окружающей среды. В частности, топологические изоляторы представляют особый интерес по причине необычного сочетания диэлектрических и проводящих свойств.

Аддитивное производство или техника 3D-печать

Аддитивное производство (3D-печать), как известно, создаёт трехмерные твёрдые объекты практически неограниченной формы из цифровых моделей и самых разных металлов, пластиков и смол. Аддитивное производство достигается посредством процесса добавления материала, при котором последовательные структурные слои укладываются разными формами. Аддитивное производство отличается от традиционных методов удаления или механической обработки, которые основаны на резке, фрезеровании, сверлении.

Аддитивное производство уже оказывает сильное влияние на коммерческое производство и цепочки поставок. Некоторыми предостережениями относительно применения аддитивно-модульной обработки являются ограничения по размеру компонента, точности и качеству поверхности, а также потенциальная необходимость механической обработки после изготовления.

Получаемые в результате промышленные материалы могут иметь уникальные свойства. Однако производство таких материалов с использованием традиционных методов производства видится непрактичным или невозможным. Технологии аддитивного производства могут использоваться, в том числе, для быстрого прототипирования, производства и ремонта развернутой военной техники на месте, производства прецизионных, нестандартных и уникальных деталей.

Прогнозы на новые материалы мировому рынку

Современная промышленность обещает лидерство в развитии 3D-печати. При этом мировому рынку 3D-печати прогнозируется рост от $5,8 млрд. до $55,8 млрд. к началу 2027 года. За последние 20 лет методы, оборудование и технологии аддитивного производства развивались быстрыми темпами. Ключевым компонентом производства является высокая добавленная стоимость и гибкость производства. Термин 3D-печать раскрывает обширный потенциал, охватывающий семь основных технологий:

• фотополимеризация НДС,
• струйная обработка,
• распыление связующего,
• экструзия,
• плавка в порошковом слое,
• листовое ламинирование,
• направленное выделение энергии.

Существующие методы аддитивных технологий в основном применимы для ограниченных серий производства, специализированных проектов или прототипов. Системы такого типа становятся всё более популярными как на домашнем, так и на промышленном рынке. Как таковые, эти системы становятся доступными, выходящими далеко за рамки печати простых трёхмерных пластиковых моделей.

На американском континенте уже достаточно широко внедрили 3D-печать. Причём около 50% уже используется для прототипирования и создания конечных продуктов. Тем не менее, системы аддитивного производства ещё не достигли уровня полной зрелости, необходимого для замены традиционных методов обработки и производства. Но ситуация явно меняется, доступность возможностей 3D-печати обеспечивает гибкое производство и периферийное производство в различных отраслях.